Painéis de distribuição e CCM's à prova de arco-elétrico
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1SDC007105G0201 Technical Application Papers February 2008 6 Arc-proof low voltage  switchgear and  controlgear assemblies 

 Index Arc-proof low voltage switchgear and  controlgear assemblies  Technical Application Papers 1  Generalities about LV switchgear and controlgear assemblies   1 .   Introduction. ............................................ 2   1 .2   Standards concerning switchboards and      relevant applicability ............................... 3   1 .3   Electrical characteristics of assemblies .. 4   1 .4   Classification of assemblies ................... 4     1.4.   Constructional types .............................................. 4     1.4.2   Primary distribution switchgear        (Power Center)........................................................ 4  1.4.3   Secondary distribution switchgear ......................... 5  1.4.4   Motor Control Center (MCC) .................................. 5  1.4.5   Control, measurements and protection boards ..... 6  1.4.6   Assemblies for construction sites (ACS) ................ 6   1 .5   Degree of protection IP ........................... 7  1.5.   Degrees of protection provided by switchgear        and controlgear assemblies ................................... 8   1 .6   Degree of protection IK ........................... 9   1 .7   Forms of separation .............................. 0   1 .8   Temperature-rise inside assemblies .....    1 .9   Switchgear and controlgear         assemblies - special executions .......... 2     1.9.   Testing under conditions of arcing due        to internal fault ..................................................... 2     1.9.2   Seismic qualification testing................................. 2  1.9.3   Testing for shock-proof execution........................ 2 2  The electric arc   2 .   Electrical arc phenomenon ................... 3   2 .2   Effects of the electric arc inside switchgear      and controlgear assemblies .................. 3   2 .3   Effects of the electric arc on human     beings ................................................... 4 3  Internal arc-proof switchgear and controlgear assemblies  3 .   Generalities ........................................... 5   3 .2   Characteristics of internal arc-proof     switchgear and controlgear      assemblies ............................................ 6  3.2.   Assemblies mechanically capable of withstanding       the electric arc (passive protection) ..................... 6     3.2.2   Assemblies equipped with devices limiting internal             arc effects (active protection) ............................... 6     3.2.3   Switchgear and controlgear assemblies with        current limiting circuit-breakers ............................ 8 4  ABB SACE arc-proof switchgear   4 .   Constructional and functional      characteristics of  the switchgear     PC3.0/MNS R ....................................... 9   4 .2   Versions of the switchgear type      PC3.0/MNS R ....................................... 25 Annex A:   Test on an arc-proof switchboard ......................... 28

2 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about LV switchgear and controlgear assemblies 1 .  Introduction In the last years safety in LV electrical installations has taken an increasingly dominant role.Also from a normative point of view, the panorama has become  more  complete  and  a  large  number  of  users consider safety in the first place among the necessary requirements for their own plant.LV switchgear assemblies are undoubtedly the compo-nents of the electric installation more subject to the direct intervention of personnel (operations, maintenance, etc.) and for this reason users demand from them higher and higher safety requirements. In the last years a lot of users have underlined the ques-tion of safety in electrical assemblies with reference to one of the most severe and destructive electrophysical phenomenon: the electric arc.Unlike tripping devices, for which arc phenomena rep-resents one of the standard operating conditions, in LV switchgear the electrical arc is an absolutely anomalous and rare event.  But,  if  the  electric  arc  occurs  inside  LV  switchgear  it generates  internal  overpressures  and  results  in  local overheatings  which  may  cause  high  mechanical  and thermal stresses in the equipment. Besides, the involved materials can generate hot decom-position  products,  gases  or  fumes,  which,  due  to  the overpressure, are almost always ejected to the outside of the enclosure thus jeopardizing the operator safety.The  European  Directive  2006/95/EC  states  the  funda-mental safety requirements for low voltage electric ma-terials (from 50 V to 000 V in alternating current, from 75 V to 500 V in continuos current) to be put on the market within the European Community.Among the essential safety requirements defined by this Directive particular importance is given to the need of taking technical measures to prevent “temperature rises, electric arcs or radiations which may result in hazards” from occurring.This aspect has always been highly considered for ap-paratus, but it has been wrongly neglected for electrical switchgear and only in the last 0-5 years it has been catching  on  both  at  Italian  as  well  as  at  international level. 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies

3 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies 1 .2  Standards concerning switchboards  and relevant applicability Low voltage switchboards are defined by the Standard IEC  60439- “switchgear and controlgear assemblies”, in short: assemblies. The Standard gives the following definition: “combina-tion  of  one  or  more  switching  devices  together  with associated  control,  measuring,  signalling,  protective, regulating equipment etc., completely assembled under the responsibility of the manufacturer with all the internal electrical  and  mechanical  interconnections,  including structural parts”.The compliance of an assembly with the state of the art and therefore, presumptively, with the relevant techni-cal Standard, cannot be based only on the fact that the components which constitute it comply with the state of the art and therefore, at least presumptively, with the relevant technical standards: this is necessary but not sufficient. The components shall be assembled according to deter-mined rules which can guarantee short-circuit withstand strength,  compliance  with  the  temperature-rise  limits, insulation, etc. In other words, the whole assembly must be designed,  built and tested in compliance with the state  of the art.  Since the assemblies under considera- tion  are  low  voltage  equipment,  their  rated voltage shall not exceed 000  Va.c.  or  500  Vd.c.  As  regards  currents, neither upper nor lower  limits are provided in the appli-cation field of this Standard. The Standard IEC 60439- states the  construction,  safety  and  maintenance  requirements  for  low  voltage  switchgear and controlgear  assemblies,  without dealing  with  the  func-tional  aspects  which  remain  a  competence  of  the designer of the plant for which  the assembly is intended.  TYPE-TESTED  AND  PARTIALLY  TYPE-TESTED ASSEMBLIES The Standard IEC 60439- differentiates between two categories of assemblies:   • TTA (Type-Tested Assembly)  • PTTA (Partially Type-Tested Assembly)The term Type-Tested Assembly (TTA) is used to mean an assembly “conforming to an established type or system without  deviations  likely  to  significantly  influence  the performance from the typical assembly verified to be in accordance with this standard”.To be declared TTA an assembly shall meet at least one of the following conditions: . it is manufactured in a single example and subject to  all the type tests required by the Standard; 2. it is similar to another assembly which has been sub- jected to all the type tests, that is it differs from the tested  one  only  for  details  considered  irrelevant  for the results of the same tests and, consequently, for its performances, that is for its nominal characteristics;  3. it is part of a pre-established structural system sub- jected  to  type  tests  in  some  of  the  many  possible arrangements  chosen  among  the  most  significative ones which can be obtained by combining the system elements. It is the typical case of assemblies sold as loose components. The term Partially Type-Tested Assembly (PTTA) is used to mean an assembly “containing both type-tested and non-type-tested arrangements, provided that the latter are derived (e.g. by calculation) from type-tested arrange-ments which have complied with the relevant tests”. A PTTA is an assembly which has been subjected to one part of the type tests, whereas the other ones have been replaced by some extrapolations (calculations) based on the experimental results obtained on assemblies which have already passed the type tests. The distinction between TTA and PTTA is of no weight with  respect  to  the  declaration  of  conformity  with  the Standard IEC 60439-, since the assembly must simply comply with it apart from its having been subject - totally (TTA) or partially (PTTA) - to type tests. 

4 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 .3  Electrical characteristics of assemblies The Standard IEC 60439- identifies the nominal char-acteristics to be assigned to each assembly, defines the environmental  service  conditions,  establishes  the  me-chanical requirements and gives prescriptions about:   • insulation   • thermal behaviour   • short-circuit withstand strength   • protection against electrical shock   • degree of protection of the enclosure   • installed components, internal separation and con- nections inside the assembly   • electronic equipment supply circuits. Information specified under items a) and b) shall be given on the nameplate according to the Standard.Information from items c) to t), where applicable, shall be  given  either  on  the  nameplates  or  in  the  technical documentation of the manufacturer:a) manufacturer ’s name or trade mark;b) type designation or identification number, or any other  means  of  identification  making  it  possible  to  obtain relevant information from the manufacturer; c) IEC 60439-1;d) type of current (and frequency, in the case of a.c.);e) rated operational voltages;f) rated insulation voltages (rated impulse withstand volt- age, when declared by the manufacturer); g) rated voltages of auxiliary circuits, if applicable;h) limits of operation;j) rated current of each circuit, if applicable; k) short-circuit withstand strength;l) degree of protection;m) measures for protection of persons;n) service conditions for indoor use, outdoor use or spe- cial use, if different from the usual service conditions. Pollution degree when declared by the manufacturer; o) types of system earthing (neutral conductor) for which  the ASSEMBLY is designed;  p)  dimensions  given  preferably  in  the  order  of  height,  width (or length), depth; q) weight;r) form of internal separation;s) types of electrical connections of functional units;t) environment 1 or 2. 1   The  manufacturer  is  deemed  to  be  the  organization  taking  the  responsibility  for  the  complete ASSEMBLY. 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies  .4  Classification of assemblies 1.4.   Constructional types Switchgear and controlgear assemblies often have a cu-bicle-type structure which generally stands on floor and which can be divided into sections and compartments. The section is a constructional unit limited between two adjacent vertical planes, whereas the term compartment is used to define a completely enclosed part of a section (sub-section), excepted for the openings necessary for interconnection, control and ventilation (Figure ).  Figure 1 – Enclosed assembly, built by three sections; each section is in its turn subdivided into more compartments 1.4.2   Primary distribution switchgear  (Power Centers) They are usually installed on the load side of MV/LV trans-formers or generators. These assemblies include one or more incoming units, bus ties and a relatively reduced number of outgoing units. 

5 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies Figure 2 – View of a primary distribution switchgear These assemblies have a sturdy structure to withstand the electrodynamic stresses and the weight of big sized apparatus. As a matter of fact peculiar characteristics of the power center are high rated currents and short-circuit currents.The constructional type is a cubicle structure, with metal enclosure and sections divided into compartments with selective access. 1.4.3   Secondary distribution switchgear These assemblies are usually provided with one incoming unit and many outgoing units (Figure 3). The apparatus housed inside the assembly are mainly molded-case  circuit-breakers  and/or  miniature  circuit-breakers.  Figure 3 – Secondary distribution switchgear The rated currents and the short-circuit currents of sec-ondary distribution switchgear are lower than those of primary distribution switchgear.  There are also present measuring instruments and other switching and control equipment (Figure 2).  The constructional models provide for the use of metal or insulating material enclosures and can be both floor- or wall-mounted, according to dimensions and weight.In case the assemblies are used by unskilled persons, the Standard IEC 60439-3 is to be applied. The distribution boards (ASD) are subject to the additional prescriptions of the Standard IEC 60439-3.   They are intended to be installed in places where un-skilled persons have acces for their use, otherwise the general rules of the Standard IEC 60439- are applied. The Standard IEC 60439-3 takes into consideration only Type-Tested Assemblies (TTA). This means that each manufactured product shall comply with a prototype or with a pre-established constructional system, that is, it shall not present deviations which can remarkably modify its performances with respect to the type-tested assembly. 1.4.4   Motor Control Centers (MCC) Motor Control Centers are intended for the control and centralized  protection  of  motors:  they  include  the  rel-evant switching and protection equipment (independent functional units) and the control and signalling auxiliary equipment.They are characterized by drawer-units (outgoing units), each of them connected to one motor so that it may be possible to operate in total safety on each single outgoing unit without disconnecting the loads (Figure 4).  Figure 4 – View of a Motor Control Center (MCC)

6 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies 1.4.5   Control,  measurement  and  protection  boards They are usually constituted by banks containing above all  apparatus  intended  for  the  control,  switching  and measurement of industrial installations and processes.Usually supported by a metal frame, they have a “desk form” and allow quick access to the commands and easy readability of the instruments (Figure 5).  1.4.6   Assemblies for construction sites (ACS) Assemblies for construction sites have different dimen-sions, ranging from the simple socket-outlet units to proper distribution boards in metal enclosure or insulating mate-rial.  These assemblies are usually mobile (Figure 6). The Standard IEC 60439-4 establishes the particular require-ments for this type of assemblies, making specific reference to mechanical strength and resistance to corrosion. This Standard states that the ACS shall comply with the requirements of the Standard IEC 60439- and that the clauses  of  the  Standard  IEC  60439-4  either  complete, modify  or  replace  the  relevant  clauses  of  the  general reference Standard. ACS must be exclusively type-tested low-voltage switch-gear and controlgear assemblies (TTA) and consequently each manufactured assembly shall comply with a proto-type which has been already subject to all the type tests prescribed by the Standard IEC 60439-4.  Figure 6 – Assemblies for contruction sites (ACS) a) ACS supported by feet or legs b) ACS to be mounted on a vertical surfacec) ACS - mobile socket-outlet unit a) b) c) Figure 5 – Control boards a) Desk-type b) Console-type. a) b)

7 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies 1 .5  Degree of protection IP The code IP indicates the degrees of protection provided by an enclosure against access to hazardous parts, in-gress of solid foreign objects and ingress of water. The degree of protection of an enclosure is identified, in compliance with the specifications of the Standard IEC 60529, by the code letters IP (International Protection) followed by two numerals and two additional letters. The first characteristic numeral indicates the degree of protection against ingress of solid foreign objects and against  contact  of  persons  with  hazardous  live  parts inside the enclosure. The second characteristic numeral indicates the degree of protection against ingress of water with harmful ef-fects.It is easy to understand that the two characteristic numer-als influence each other. The additional letter indicates the degree of protection of persons against access to hazardous parts.The additional letter is used only if the actual protection against  access  to  hazardous  parts  is  higher  than  that indicated by the first characteristic numeral; if only the protection against access to hazardous parts is indicated, then  the  first  characteristic  numeral  shall  be  replaced by the letter X. For example this higher protection could be provided by barriers, openings of suitable shape or distances inside the enclosure. If the indications refer exclusively to the safety of persons against direct contact, both characteristic numerals are omitted and replaced by “XX”; in this case the degree of protection is indicated by the additional letter.Obviously, also the additional letter is not independent of the two numerals by which it may be preceded, but it is closely connected to them; that is the reason why the additional letter shall be used only if guaranteeing a degree of protection against direct contact higher than that guaranteed by the first characteristic numeral.The supplementary letter gives supplementary informa-tion. The table below sums up the meaning of the various ele-ments which form the code. For further details reference should be made to the Standard IEC 60529.  IP 2 3 C H Code letters International protection First characteristic  numeral numerals 0 to 6, or  letter X Second characteristic  numeral numerals 0 to 8, or  letter x Additional letter  (optional) letters A, B, C, D Supplementary letter  (optional) letters H, M, S, W Protection of equipment Against access to hazardous part with: First characteristic numeral (access of solid foreign objects) 0 non-protected non-protected 1 ≥ 50 mm diameter    back of hand 2 ≥ 2.5 mm diameter finger 3 ≥ 2.5 mm diameter tool 4 ≥ .0 mm diameter wire 5 dust-protected wire 6 dust-tight wire Second characteristic numeral (ingress of water) 0 non-protected1 vertically dripping2 dripping (5° tilted)3 spraying4 splashing5 jetting6 powerful jetting7 temporary immersion8 continuous immersion Additional letter (optional) A back of hand B finger C tool D wire Supplementary letter (optional) H High-voltage apparatus M Motion during water test S Stationary during water test W Weather conditions

8 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies 1.5.  Degrees of protection provided by switchgear and controlgear assemblies As regards assemblies, if not otherwise specified by the manufacturer, the degree of protection is applicable to the whole assembly, mounted and installed as in the or-dinary use (closed door). Besides, the manufacturer may indicate the degrees of protection relevant to particular arrangements which may occur during operation, such as the degree of protection with open doors and that one with removed or withdrawn apparatus. As regards enclosed switchboards, the Standard requires the minimum degree of protection IP 2X or IPXXB for live parts which are not to be touched intentionally and IP4X or IPXXD for readily accessible horizontal surfaces. As an example the following table shows the minimum degrees  of  protection  required  for  an  assembly  to  be installed in the listed environments, in compliance with the mentioned Standards. Type of assemblies/Type of environments Standards and sub-clause Minimum degree of protection Switchgear and controlgear assemblies: enclosed switchboards  IEC  60439- sub-clause 2.3.3  Not defined  Assemblies for outdoor installation IEC  60439-sub-clause 7.2..3  IPX3  Assemblies with protection by total insulation IEC  60439- sub-clause 7.4.3.2.2  IP2XC  Installations in normal environments Live parts which are not to be touched intentionally  IEC60364-4 sub-clause 42.2.  IPXXB (IP2X)  Live parts which are readily accessible (horizontal top) IEC60364-4 sub-clause 42.2.2  IPXXD (IP4X)  Installations in locations containing a bath tube or shower basin Zone  and 2  IEC60364-7 sub-clause 70.52.2  IPX4  Zone 3  IEC60364-7 sub-clause 70.52.2  IPX  Zone -2-3 public baths where water jets are used for cleaning purposes  IEC60364-7 sub-clause 70.52.2  IPX5  Installations for swimming-pools Zone 0  IEC60364-7 sub-clause 702.52.2  IPX8  Zone   IEC60364-7 sub-clause 702.52.2  IPX5  Zone 2 for indoor locations  IEC60364-7 sub-clause 702.52.2  IPX2  Zone 2 for outoor locations  IEC60364-7 sub-clause 702.52.2  IPX4  Zone 2 where water jets are used for cleaning purposes  IEC60364-7 sub-clause 702.52.2  IPX5  Installations for rooms and cabins containing sauna heaters IEC60364-7  sub-clause 703.52.2  IP24  Assemblies for construction sites (ACS) IEC60439-4 sub-clause 7.2..  IP44  The figure below shows the degrees of protection which can be obtained with ABB SACE ArTu series switchgear IP65 With door and blind panels IP31 Without door IP31 Without door IP43 With door ArTu L ArTu M - K IP41 With door  and ventilated panels (ArTu K only) IP41 Without door  with IP41 kit and ventilated panels (ArTu K only)

9 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies The figure below shows an application of ABB switchgear series MNS designed for the degree of protection IP4.MNS switchgear series is designed to fulfil the require-ments for degrees of protection up to IP54. Figure 7 - MNS R switchgear with degree of protection IP41 1 .6  Degree of protection IK The code IK indicates the degrees of protection provided by an enclosure to the housed equipment against harmful effects of mechanical impacts verified by standardized test  methods  complying  with  the  requirements  of  the Standard IEC 62262.The degree of protection provided by enclosures against external mechanical impacts is indicated by the code IK as follows: IK 05 Characteristic letters International mechanical protection Characteristic group numeral from  00 to 0 Code IK Impact energy (Joule)  IK 00 ( ) IK 01 0.4 IK 02 0.2 IK 03 0.35 IK 04 0.5 IK 05 0.7 IK 06  IK 07 2 IK 08 5 IK 09 0 IK 10 20 Each characteristic group numeral represents a value of impact energy as the following table shows: ( ) Not-protected according to this Standard. In general, the degree of protection applies to the com-plete  enclosure.  If  parts  of  the  enclosure  have  differ-ing degrees of protection, the latter shall be indicated separately. Here are the degrees of protection against external me-chanical impact (code IK) of ArTu series Impact energyJoule  5.00 ArTu L 1,7 kg 300mm 5 kg 200mm 5 kg 400mm ( ) Not-protected according to this Standard. Impact energyJoule  10.00 ArTu M-K Impact energyJoule  20.00 ArTu M-K IK 08 IK 09 IK 10 With glass door With blinddoor

10 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 .7  Forms of separation The designation form of separation indicates the type of  subdivision provided inside the enclosure. Separations  by means of barriers or partitions (metallic or non metallic  materials) are aimed at:    • guaranteeing  protection  against  direct  contact  (minimum degree of protection IPXXB), in case of  access to an insulated part of the assembly when  voltage is still applied to the rest of the assembly;   • reducing the likelihood of ignition and propagation  of an internal arc;    • impeding the passage of solid foreign bodies from  one unit of the assembly to an adjacent one (mini- mum degree of protection IP2X). A partition is an element of separation between two cu- bicles, whereas a barrier protects the operator against  direct contact and against the effects of circuit-breaker  arcs propagating in the direction of usual access. The table below, taken from the Standard IEC  60439-1,  points out the typical forms of internal separation which can be obtained by using barriers or partitions: 1  Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies Figure 8 - Structural frame form 4b - view with rear doors open. The metallic separations mounted on the main busbars and on the distribution busbars can be noted, as well as the insulating covers which complete the compartments for cable connection b a d c Symbols Captiona Enclosureb Internal separationc Functional units including terminals for associated external conductors d Busbars, including distribution busbars Form 1 (no internal separation) Form 2 Separation of busbars from the functional units Form 2b Terminals separated from busbars Form 2a Terminals not separated from busbars Form 3 Separation of busbars from the functional units – separation of all functional units from one another Form 3b Terminals separated from busbars Form 3a Terminals not separated from busbars Form 4 Separation of busbars from the functional units – separation of all functional units from one another – separation of terminals from those of any other functional unit Form 4b Terminals  not in the same compartment as the associated functional unit Form 4a Terminals in the same compartment as the associated functional unit Representation of the structural frames in form 3a, 3b and 4b for switch-gear type PC3.0/MNS R Form 3a Structural frame of a compartment with moulded-case circuit-breakerin form 3a Top view of a column with moulded-case circuit-breaker separated in form 3a Form 3b Structural frame of a compartment with moulded-case circuit-breaker in form 3b Top view of a column with moulded-case circuit-breaker separated in form 3b Form 4b Structural frame of a compartment with moulded-case circuit-breaker in form 4b Top view of a column with moulded-case circuit-breaker separated in form 4b

 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies 1 .8  Temperature-rise inside assemblies An excessive temperature-rise inside assemblies repre-sents one of the main problems which are often subject for discussion and to which users pay the most atten-tion.It is evident that an anomalous heating inside switchgear can jeopardize the safety of people (possible fires) and plants (malfunctioning of the apparatus).For this reason, the Standard IEC 60439-  gives a lot of space to the permissible temperature-rise limits in an assembly and to the methods to determine such limits either directly as type test or by analytic extrapolation.The  term  type  test  defines  the  tests  indended  to  as-sess the validity of a project according to the expected performances.Such tests are usually carried out on one or more proto-types and the results of these type tests are assumed to obey to deterministic laws. Therefore these results can be extended to all the production, provided that it complies with the design of the tested samples.  The type tests prescribed by the Standard IEC  60439-  include:    • verification of temperature-rise limits   • verification of the dielectric properties   • verification of the short-circuit withstand strength of  the main circuits   • verification of the short-circuit withstand strength of  the protective circuit   • verification  of  the  effective  connection  between  the  exposed  conductive  parts  and  the  protective circuit   • verification of clearances and creepage distances   • verification of mechanical operation   • verification of the degree of protection As said above the verification of temperature-rise limits is one of the most critical aspect for an assembly; the Standard states the temperature-rise limits referred to an  average  ambient  air  temperature  of  ≤  35°C  which  the switchgear complying with the Standard must not exceed (Table ). In TTA the verification of the temperature-rise limits shall be carried out through type tests. In PTTA an extrapolation, for example complying with IEC 60890, can be made in alternative to type tests.   2  IEC  60439-3, specifically intended for distribution boards (ASD), requires, in addition to  the type tests established by IEC  60439-1, the following additional verifications:• verification of contruction and marking• verification of impact strength• verification of resistance to rusting and to humidity• verification of resistance of insulating materials to heat• verification of resistance of insulating materials to abnormal heat and fire due to internal  electrical effects • verification of mechanical strength of fastening means of enclosures. Parts of assemblies Temperature rise (K) Built in components () (6) In accordance with the relevant requirements for the individual components, or in accordance with the manufacturer’s (6)  instructions, taking into consideration  the temperature inside the ASSEMBLY Terminals for external insulated conductors 70 (2) Busbars and conductors (7), plug-in contacts of remowable or withdrawawble parts which connect to busbars Limited by: • mechanical strength of conducting material  (7) • possible effects on adjacent equipment• permissible temperature limit of the insulating  materials in contact with the conductor • the effect of the temperature of the conductor  on the apparatus connected to it • for plug-in contacts, nature and surface treat- ment of the contact material Manual operating means: • of metal 5 (3) • of insulating material 25 (3) Accessible external enclosures and covers: • metal surfaces 30 (4) • insulating surfaces 40 (4) Discrete arrangements of plug and socket type connection Determined by the limits of those components of the equipment of which they form part (5) () The term “built-in components” means: - conventional switchgear and controlgear;- electronic sub-assemblies (e.g. rectifier bridge, printed circuit)- parts of the equipment (e.g. regulator, stabilized power supply unit, operational amplifier). (2) The temperature-rise limit of 70 K is a value based on the conventional type test. An ASSEMBLY used or tested under installation conditions may have connections, the type,  nature and disposition of which will not be the same as those adopted for the test, and a different  temperature rise of terminals may result and may be required or accepted. When the terminals  of the built-in compenents are also the terminals for external insulated conductors, the lower of  the corresponding temperature-rise limits shall be applied. (3) Manual operating means within ASSEMBLIES, which are only accessibile after the ASSEMBLY  has been opened, for example draw-out handles, which are operated infrequently, are allowed  to assume higher temperature rises. (4) Unless otherwise specified, in the case of covers and enclosures which are accessible but need  not to be touched during normal operation, an increase in the temperature-rise limits by 0 K  is permissible. (5) This  allows  a  degree  of  flexibility  in  respect  of  equipment  (e.g.  electornic  devices)  which  is  subject  to  temperature-rise  limits  different  from  those  normally  associated  with  switchgear  and controlgear. (6) For  the  temperature-rise  tests  in  accordance  with  8.2.,  the  temperature-rise  limits  shall  be  specified by the manufacturer of the ASSEMBLY.As regards circuit-breakers, the temperature-rise limits are the following: - 70 K if an insulated conductor is connected to the terminal.- 85 K for the terminals of ABB cirucit-breakers if insulated conductors are not directly con- nected to them (the temperature-rise of 85 K is always referred to the ambient air temperature  of 35°C outside the assembly). (7) Assuming that all the other listed criteria are met, a temperature-rise of 05 K for busbars and  bare copper conductors shall not be exceeded. 05 K refers to the temperature over which  copper annealing may occur.  Table 1: Temperature-rise limits for LV switchgear and controlgear assemblies In addition to type tests the Standard requires also some routine tests.These tests are carried out on each manufactured item to ascertain the lack of rough defects due to materials or assembling. These are non destructive tests and can be carried out in the manufacturer’s factory for switchgear and controlgear supplied already wired or at the instal-lation site after assembling. The routine tests prescribed by the Standard IEC  60439- 3  are:    • visual inspection of the assembly, including inspec- tion of wiring    • electrical operation test   • verification of insulation resistance   • checking  of  the  protective  measures  and  of  the  electrical continuity of the protective circuits.  3  Analogous tests are prescribed by IEC  60439-3 for distribution boards (ASD).

2 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 1 Generalities about L V switchgear and contr olgear assemblies 1 .9  Switchgear and controlgear assemblies  – special executions The term “special execution” is used to define switch-boards  having  characteristics  not  considered  in  the Standard 439-, but often required by users according to the characteristics of the plant. Among the most common available special executions there are:  • arc-proof switchboars   • anti-seismic switchboards    • shock-proof switchboards 4 The compliance of such switchgear and controlgear as-semblies with these requirements is guaranteed by tests specified by international and/or national Standards and not included in the Standard 439-.   4  Obtained through a suitable choice of frames and equipment. 1.9.   Testing under conditions of arcing due to  internal fault  The most widespread international Standard is the Tech-nical Report IEC 664 (see Annex A).This test verifies the capability of the switchboards to meet some requirements typically linked to the operator safety under conditions of arcing due to internal fault. It  is  a  special  test  which  is  subject  to  an  agreeement between manufacturer and user. The results of such test are presented in the form of a test report and are not object of a test certificate. The interpretation of the results is subject to an agreeement between manufacturer and user. 1.9.2   Seismic qualification testing Seismic qualification testing is intended to demonstrate the capability of an assembly and of the relevant housed equipment to withstand the stresses resulting from an earthquake keeping the functions required. The  overview  of  the  standards  and  rules  regarding seismic qualification is wide and varied; therefore, it is fundamental to define in advance the performances that the testing object must guarantee.Among  the  applicable  Standards  (different  depending on  States,  environments  and  functions  for  which  the equipment  is  intended)  the  following  ones  are  to  be mentioned:   • Uniform Building Code 997   • Italian  Government  Decree  PCM  No.  3274,  20/03/2003  “Primi  elementi  in  materia  di  criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica” (“First elements regarding general criteria for the seismic classification of the national territory  and  technical  guidelines  for  building  in seismic areas”)   • IEEE 693-997 “Recommended Practices for Seis- mic Design of Substations”   • IEEE 344-987 “Recommended Practice for Seismic  Qualification  of  Class  E  Equipment  for  Nuclear Power Generating Stations”   • IEC  60980  “Recommended  practices  for  seismic  qualification  of  electrical  equipment  of  the  safety system for nuclear generating stations”   • IEC 60068-3-3 “Guidance Seismic test methods for  equipments”   • IEC 60068-2-6 “Tests- Test Fc: Vibration (sinusoidal)”   • IEC  60068-2-57  “Tests-  Test  Ff:  Vibration  –  Time  history method” 1.9.3   Testing for shock-proof execution In particular applications, such as for example military ships, LV switchgear and controlgear assemblies are re-quested to withstand specified vibrations and shocks. The reference Standards for this type of version are:   • IEC 60068-2-6 / EN 60068-2-6 (vibration)   • IEC 60068-2-27 / EN 60068-2-27 (shock)) In this case too, since the overview of rules and standards is very varied (to remain in the naval field, the shipping registers are numerous and have different specifications) the test shall be carried out by pre-defining the testing modalities and the performances to be guaranteed by the equipment.

13 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 2 The electric ar c 2 The electric arc 2 .1  Electric arc phenomenon The electric arc is a phenomenon which takes place as a consequence of a discharge which occurs when the volt-age between two points exceeds the insulating strength  limit of the interposed gas; then, in the presence of suit-able conditions, a plasma is generated which carries the electric current till the opening of the protective device on the supply side. Gases, which are good insulating means under normal conditions, may become current conductors in conse-quence of a change in their chemical-physical properties due to a temperature rise or to other external factors.To understand how an electrical arc originates, reference can be made to what happens when a circuit opens or closes. During the opening phase of an electric circuit the contacts of the protective device start to separate thus  offering  to  the  current  a  gradually  decresasing section; therefore the current meets growing resistance with a consequent rise in the temperature. As soon as the contacts start to separate, the voltage applied to the circuit exceeds the dielectric strength of the air, caus-ing  its  perforation  through  a  discharge.  The  high temperature  causes  the  ionization  of the  surrounding  air  which  keeps the current circulating in the form of electrical arc. Besides thermal ionization, there is also an electron emission from the cathode due to the thermionic effect; the ions formed in the gas due to  the  very  high  temperature  are  accelerated  by  the electric field, strike the cathode, release energy in the collision thus causing a localized heating which gener-ates electron emission. The electrical arc lasts till the voltage at its ends supplies the energy sufficient to compensate for the quantity of heat dissipated and to maintain the suitable conditions of temperature. If the arc is elongated and cooled, the conditions  necessary  for  its  maintenance  lack  and  it extinguishes. Analogously, an arc can originate also as a consequence of a short-circuit between phases. A short-circuit is a low impedance connection between two conductors at differ-ent voltages. The conducting element which constitutes the low impedance connection (e.g. a metallic tool forgot-ten on the busbars inside the enclosure, a wrong wiring or a  body of  an  animal  entered inside  the enclosure), subject to the difference of potential is passed through by a current of generally high value, depending on the characteristics of the circuit.  The flow of the high fault current causes the overheating of the cables or of the circuit busbars, up to the melting of the conductors of lower section; as soon as the conduc-tor melts, analogous conditions to those present during the circuit opening arise. At that point an arc starts which lasts either till the protective devices intervene or till the conditions necessary for its stability subsist. The electric arc is characterized by an intense ionization of the gaseous means, by reduced drops of the anodic and cathodic voltage (10 V and 40 V respectively), by high or very high current density in the middle of the column (of the order of 102-103 up to 107 A/cm 2 ), by very high  temperatures (thousands of °C) always in the middle of the current column and – in low voltage - by a distance between the ends variable from some microns to some centimeters. 2 .2  Effects of the electric arc inside  switchgear and controlgear assemblies In the proximity of the main boards, i.e. in the proximity of big electrical machines, such as transformers or gen-erators, the short-circuit power is high and consequently also the energy associated with the electrical arc due to a fault is high. Without going into complex mathematical descriptions of this phenomenon, the first instants of arc formation inside a cubicle can be schematized in 4 phases: 1. compression phase: in this phase the volume of the  air where the arc develops is overheated owing to the continuous release of energy; due to convection and radiation the remaining volume of air inside the cubicle warms up; initially there are temperature and pressure values different from one zone to another;

4 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 2 The electric ar c 2. expansion  phase:  from  the  first  instants  of  internal  pressure increase a hole is formed through which the overheated air begins to go out. In this phase the pres-sure reaches its maximum value and starts to decrease owing to the release of hot air; 3. emission phase: in this phase, due to the continuous  contribution of energy by the arc, nearly all the air is forced out under a soft and almost constant overpres-sure; 4. thermal phase: after the expulsion of the air, the tem- perature  inside  the  switchgear  reaches  almost that  of  the  electrical  arc,  thus  beginning  this final phase which lasts till the arc is quenched, when all the metals and the insulating materi-als coming into contact undergo erosion with production of gases, fumes and molten material particles. Should the electrical arc occur in open configurations, some of the described phases could not be present or could have less effect; however, there shall be a pres-sure  wave  and  a  rise  in  the  temperature  of  the  zones surrounding the arc. Being in the proximity of an electrical arc is quite dangerous; here are some data to understand how dangerous it is:  • pressure:  at  a  distance  of  60  cm  from  an  electrical arc associated with a 20 kA arcing fault a person can be subject to a force of 225 kg; moreover,  the  sudden  pressure  wave  may  cause permanent injuries to the eardrum;    • arc temperatures: about 7000-8000 °C;   • sound: electrical arc sound levels can reach 60 db,  a shotgun blast only 30 db. 2 .3  Effects of the electrical arc on human  beings From the above, it is evident that the electrical arc represents  a  hazard  source  for  people  and  goods.  The hazards to which a person is exposed due to the release of energy generated by an arc event are:  • burns;   • injuries due to ejection of materials;   • damages to hearing;   • inhalation of toxic gases. BurnsThe  high  temperature  levels  of  the  gases  pro-duced by the electrical arc and the expulsion of  incandescent metal particles may cause more or less severe burns to people. Flames can cause all degrees of burn up to carboniza-tion: the red-hot solid bodies, such as the metal frag-ments of the assembly involved, cause third degree burns, superheated steam causes burns analogous to those by hot liquids whereas radiant heat generally causes less severe burns. Injuries due to ejection of materials The  ejection  of  metal  particles  or  other  loose items caused by the electrical arc can result in severe injuries to the weakest parts of the hu- man body as, for example, the eyes. The materials expelled owing to the explosion produced by the arc may penetrate the cornea and hurt it. The extent of the lesions depends on the characteristics and on the kinetic energy of these objects. Moreover, the ocular region can sustain injuries to the mucosa because of the gases released by the arc and the emission of ultraviolet and infrared rays can injure the cornea and the retina depending on the radiation wavelengths. HearingAs already mentioned, the electrical arc is a real explosion, whose sound may cause permanent  injuries to hearing.  Inhalation of toxic gasesThe fumes produced by burnt insulating materials and by molten or vaporized metals can be toxic. The  fumes  are  caused  by  incomplete  burning  and are formed by carbon particles and by other solid substances suspended in the air.

5 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 3 Inter nal ar c-pr oof switchgear and contr olgear assemblies 3 Internal arc-proof switchgear and controlgear assemblies 3 .  Generalities In LV switchgear there are two types of fault to which the  development  of  currents  of  remakable  intensity  is associated:  • bolted fault   • arc fault. With the term “bolted” reference is made to a fault in which  two  or  more  live  parts  at  different  potential  get in touch; this is the case of phase-to-phase or phase-to-earth  short-circuits  to  which  the  circulation  of  an anomalous current within the ring developed at the fault moment is associated. On the contrary, an arc fault occurs when there is a re-duction in the dielectric strength of the insulating means (air, in LV switchboards) interposed between two or more conducting elements at different potential. The arc is generated at the moment when, due to the high  ionization  of  the  air,  there  is  a  breakdown  of  the dielectric of the medium and the consequent flow of the current through it. In a bolted fault the most harmful effects are prevalently of electrodynamic type, proportional to I 2 , due to the high  intensity of the current and to the low fault resistance involved (the medium in which the fault current flows is a conducting material). On the contrary, in an arc fault the highest stresses are of thermal type and proportional to R a I 2   owing to the high  value taken by the arc resistance R a ; this because the  fault current flows in a medium which is always insulating, even if extremely ionized. Such  stresses  manifest  themselves  essentially  in  the form of:  • high  thermal  gradients  caused  by  the  quick  and  intense rise in the air temperature;   • high  pressure  gradients  in  the  form  of  pressure  wave;    • high ionization of the air with consequent reduction  of its insulating strength. Generally  speaking,  in  a  LV  assembly  designed  and tested  according  to  the  Standard  IEC  60439-  an  arc fault is not very likely to occur; however, should it occur, the consequences would be extremely harmful to both the equipment as well as the personnel (see Chapters 2.2 and 2.3). The causes of an arc fault can be both technical as well as non technical; among the latter the most frequent are the following:  •  personnel  errors,  above  all  during  maintenance operations;    •  installation operations not sufficiently accurate;    •  inadequate maintenance, above all in the case of severe environmental conditions. Among the technical causes of an arc fault in a LV as-sembly the following ones are to be remembered:  •  breakdown  of  the  insulation  essentially  in  the proximity of the supports of the busbars and of the plug-in contacts of the withdrawable units (75% of cases);   •  overvoltages  generating  disruptive  discharges between the points at minimum clearances (5% of cases);   •  constructional defects of the apparatus (0% of cases). It is known that the low voltage Standard (IEC  60439-) requires as type test the verification of the short-circuit withstand strength for the bolted fault, whereas it does not give any precise indication as regards arc faults. The only indication as regards this matter given by the Standard 439- is addressed to the manufacturer who is obliged to provide all the possible precautions aimed at reducing the possibility of arcing inside an assembly. However, there is a guideline document for the verifica-tion of the internal arc withstand of LV assemblies very diffused both at Italian as well as at international level.It  is  the  document  IEC  61641  ”Enclosed  low-voltage  switchgear and controlgear assemblies - Guide for test-ing under conditions of arcing due to internal fault”  (see Annex A). Since  it  is  a  Technical  Report  type  3,  this  document has not the validity of a Standard and consequently the relevant tests do not represent a mandatory type test to the purpose of obtaining the state of TTA. Nevertheless, this document represents a solid technical reference as regards the testing modalities, defining the main characteristics of an arc-proof assembly and the requirements it must meet.According to the document IEC 664   a LV switchgear  and controlgear assembly shall:   • limit the risk of injuries/accidents for the personnel  in case of internal arc   • limit the damage of the switchboard to the section  affected by the fault, thus allowing the not-affected part to be put into safety (emergency operations). 1  New edition to be published.

6 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 3 Inter nal ar c-pr oof switchgear and contr olgear assemblies 3 .2  Characteristics of internal arc-proof  switchgear and controlgear assemblies Safety for the operator and for the installation in case of arcing inside LV switchgear can be obtained through three different design philosophies:   .  assemblies mechanically capable of withstanding  the electric arc (passive protection)   2.  assemblies equipped with devices limiting the ef- fects of internal arcing (active protection)   3.  assemblies  equipped  with  current  limiting  circuit- breakers. These  three  solutions  (also  combined  together)  have found a remakable development in the industrial field and have been successfully applied by the main manufactur-ers of LV switchgear and controlgear assemblies.As it can be seen hereafter by examining the first two solutions,  an  “active”  protection  against  arc  faults  is intrinsecally more complex than a “passive” one.This because of the presence of additional electrome-chanical/electronic devices 5  which limit the arcing effects  and which, by their nature, may be subject to faults or not-tripping. 3.2.   Assemblies  mechanically  capable  of  withstanding  the  electric  arc  (passive protection) The  switchboards  which  take  constructional  precau-tions suitable to the containment of the arc and to the successive outlet of the exhausted gases belong to this type of assemblies.Two  are  the  peculiar  characteristics  of  these  types  of switchgear:  • reinforced mechanical frame able to withstand the  stresses (overpressures) caused by internal arcing;   • creation inside the assembly of a preferential path for  the discharge of the hot gases generated by arcing. Both  characteristics  are  indispensable  to  satisfy  the safety requirements for the operator and the installation established by the Document IEC 664.As a consequence, the manufacturers take design meas-ures to prevent the accidental opening of the doors (or their  perforation)  due  to  the  pressure  wave  generated by the arc.Besides, also the instruments which can be positioned on the doors must be able to withstand an overpressure of  about  bar  (=kg/cm 2 )  without  being  ejected  and  projected outside the switchboard. The thermal consequences of arcing (exhausted gases at high temperature) are then limited by designing the inside of the switchgear so that the outlet of gases takes place in the top part (over 2 m) and not at lower heights which might be potentially dangerous for the operator. It is evident that each opening of significant dimensions on the doors might constitute a vent for the gases and result dangerous for the operator; therefore such open-ings are usually avoided in this type of switchgear.As already said, in addition to the operator safety, the Document  IEC  664  prescribes  that  the  switchgear shall guarantee also safety for the plant in case of an arc event (see Annex A).As  a  consequence,  the  manufacturer  shall  adopt  ad-ditional design measures. Fundamentally, the switchboard shall be manufactured so as to safeguard its functional part in case of arcing and then to allow putting into safety of the plant once the fault has been eliminated. A switchboard of this type shall have mainly two design characteristics:   • non-propagation of the arc between two adjacent  columns;   • non-propagation of the arc between the compart- ment housing the bars and that where the apparatus are installed. The fulfilment of these requirements is the result of the internal division into compartments of the switchboard. As a matter of fact this allows obtaining internal “arc-proof”  subdivisions,  that  is  cubicles  or  compartments where the arc is confined in its place of occurrence, thus avoiding damages to adjacent areas. 3.2.2   Assemblies equipped with devices limiting  internal arc effects (active protection) A design philosophy which is completely different from that just considered consists in guaranteeing the resist-ance to internal arcing by installing devices limiting the arc.The approaches in that direction can be of two different types:   • limiting the destructive effects of the arc, once it has  occured, by means of arc detectors      • limiting the destructive effects of the arc, once it has  occured, by means of overpressure detectors. The first possibility consists in installing in the assembly arc detectors which sense the light flux associated with the electric arc phenomenon.Once the arc has been detected, these devices send an opening signal to the incoming circuit-breaker, thus guar- 5  Arc and/or overpressure detectors

7 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 3 Inter nal ar c-pr oof switchgear and contr olgear assemblies anteeing tripping times of the order of -2 ms, therefore shorter than those proper of the circuit-breaker. The operating logic of an arc detector is the following: the occurrence of an arc inside the switchboard is detected by the arc detector because an intense light radiation is associated with this phenomenon. The arcing control system detects the event and sends a tripping signal to the circuit-breaker.  All the above with trip times of a few milliseconds and supplanting  the  tripping  of  the  CB  overcurrent  relay which,  for  example,  could  be  delayed  due  to  current selectivity questions. Figure  shows the possible positions where this device can be installed inside a switchboard. The  ideal  solution  is  that  which  provides  the  installa-tion of at least one detector for each column, with the consequent reduction to a minimum of the length of the optical fibers carrying the signal. In order to prevent from an unwanted tripping caused by light sources indepent of the arc (lamps, solar radiation etc.), an additional current sensor is often positioned at the incoming of the main circuit-breaker.Only in the event of an arc, both the incoming sensor - which detects an “anomalous” current due to the arc fault - as well as the sensor detecting the light radiation as- Figure 1 - Possible positions of arc detectors sociated with the arc enable the system to intervene and allow the consequent opening of the circuit-breaker. The second possibility consists in installing overpressure sensors inside the switchboard.As previously described, the overpressure wave is one of the other effects occurring inside an assembly in case of arcing. As a consequence it is possible to install some pressure sensors which are able to signal the pressure peak as-sociated with the arc ignition with a delay of about 0-5 ms.  The  signal  operates  on  the  supply  circuit-breaker without waiting for the trip times of the selectivity protec-tions to elapse, which are necessarily longer. Such a system does not need any electronic processing device, since it acts directly on the tripping coil of the supply circuit-breaker. Obviously it is essential that the device is set at fixed trip thresholds. When an established internal overpressure is reached, the arc detector intervenes. However, it is not easy to define in advance the value of overpressure generated by an arc fault inside a switch-board. 1. 2. Arc monitor Current Sensing Unit Example showing the position of detectors in:1. Horizontal and vertical busbar system2. Circuit-breaker cubicle

8 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 3 Inter nal ar c-pr oof switchgear and contr olgear assemblies 3.2.3  Switchgear and controlgear assemblies  with current limiting circuit-breakers A last possibility to limit the effects of an internal arc fore-sees the installation of current limiting circuit-breakers.In this case two are the possible solutions:  • separating the parts of the installation at high short- circuit current (Figure a);   • limiting - at each incoming section - the short-circuit  current and consequently the intensity of a possible arc (Figure b). In the case a), the current limiting circuit-breaker sepa-rates the right and the left part of the plant thus limiting the contribution to the fault (in our case the arc fault) given by the sound part of the plant to the affected one. Should this be insufficient, the most extreme solution is the b) where each incoming feeder from the transformer has a current limiting circuit-breaker which reduces the energy supplied by each bus riser in the event of an arc fault. Both these solutions are frequently used in assemblies which are arc-proof from a mechanical point of view (pas-sive protection), when the arc resistance performances of the switchboard (or of part of it) are insufficient for the installation requirements. For  example,  if  the  switchboard  under  consideration has a mechanical resistance of 65kA to an internal arc and the short-circuit current of the plant is much higher  Fig. a than 65kA, the solutions of type a) or b) shall be with no doubt fit for guaranteeing safety in case of an internal arc fault. Fig. b I s I s I s I s

19 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear ABB SACE 6  low voltage switchboards of MNS series are  designed and certified to guarantee a passive-type pro- tection against internal arcing by reaching arc withstand  values up to 100kA for 0.3s. MNS switchboards are tested and certified in compli- ance with the Standard IEC 61641-2007 fulfilling all the  seven criteria of the internal arc-proof verification test  (see Annex A). Thanks  to  careful  design  choices,  in  MNS  switchgear  the arc is confined in the compartment where it ignites,  thus guaranteeing not only safety for the operator, but  also safeguarding the switchboard by permitting the put  into safety of the installation and the quick removal of the  compartment where the arc event has occurred. 4  ABB SACE arc-proof switchgear   6  Versions MNS3.0, MNS R, MNS iS Figure 1 Arc-proof switchgear of MNS series The switchboards of MNS series are available in the fol-lowing versions, all arc-proof:  • PC3.0/MNS R, main distribution switchboard (Power  Center)   • MNS3.0, Motor Control Center   • MNS iS “intelligent”, Motor Control Center  The  main  characteristics  of  the  primary  distribution switchboard type PC3.0/MNS R are illustrated below. 4 .1  Constructional and functional character- istics of  the switchgear PC3.0/MNS R Switchgear frameThe PC3.0/MNS R frame is based on modular 2 mm thick  steel C sections, pre-drilled at a pitch of 25 mm DIN. Each  unit is based on modular elements and consists of:   • circuit-breaker compartments;   • instrument compartments;   • busbar compartment;   • cable compartment. All compartments are mechanically segregated from the  others. The switchgear is pre-set for easy extensions on  both sides. Earthing The switchgear is provided with a continuous electrolytic copper earthing busbar, with a cross-section suitable for the switchgear short-circuit rating and pre-set on both sides for the connection to the earthing network. The fol-lowing elements are connected to the earthing busbar:  • the metallic frame structures of the separate compartments;  • the not-live metallic parts of the circuit-breakers;  • the CTs and VTs earthing secondary windings. The other not-live metallic parts of the apparatus are con-nected to the earthing busbar by means of the metallic frame of the compartment. The  doors  with  installed  apparatus  are  connected  to the  structure  by  means  of  flexible  copper  braids.  All the ground connections are made with screws or bolts provided with gripping washers.

20 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear Circuit-breaker compartmentThe  compartment,  in  the  front  part  of  the  switchgear, is suitable to house both air as well as moulded-case circuit-breakers. It is accessible through a locked hinged door. The circuit-breakers can be installed in all the avail-able versions, fixed, plug-in and withdrawable, in single or  multiple  compartments.  In  order  to  guarantee  the maximum safety level for the operator, the disconnection of air and moulded-case circuit-breakers in withdrawable version can be carried out also with closed door. Instrument compartmentThe instrument compartment as well is positioned in the front part of the switchgear and it can be dedicated to each functional unit or be common to more functional units.  It  is  accessible  through  a  locked  hinged  door. The  measuring  instruments,  the  protection  relays  and the control and signalling devices are usually mounted on the compartment door, whereas any other auxiliary apparatus, such as circuit-breakers, protection fuses of command circuits and auxiliary relays are placed inside the compartment.Equipment wiring is made of flexible copper cables and arranged in dedicated wiring channels.The terminal blocks of each circuit-breaker are separated and properly identified.

2 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear Busbar compartmentThe busbar compartment is located in the middle sec-tion of the switchgear. The main busbars can be located at the top, in the centre or at the bottom of the panel depending  on  the  selected  design  and  they  distribute power to the various switchgear units; in some of the existing configurations the main busbars can be directly connected to and supply the circuit-breakers. The distri-bution busbars are positioned vertically in the column and feed the panel circuit-breakers. The busbar system can be composed by , 2 or 3 busbars per phase, according to  the  requested  rated  current,  short-circuit  withstand and environmental conditions in terms of temperature, altitude and humidity.  Busbars are normally bare copper made, but upon re-quest they can be suitably treated: tinned, silver-plated and/or sheathed. Main busbarsPC3.0/MNS R main busbars are available for currents up to 6300 A. Main busbars, as well as distribution busbars, can be completely segregated (according to the required form of separation).Each PC3.0/MNS R panel can be fitted with three busbar systems  simultaneously  (top-centre-bottom)  each  one segregated from the others.

22 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear Distribution busbarsPC3.0/MNS  R  distribution  busbars  are  available  for currents up to 4000 A. Distribution busbars, branched directly from the main busbar system, are vertically in-stalled either on the right or on the left in the column. They feed  the  outgoing  circuit-breakers  and  are  connected to them by means of rigid or flexible copper busbars, or cables. In any case, all the connections are suitably sized to withstand the thermodynamic stresses of the fault currents. Cable compartmentThe  cable  compartment  is  located  at  the  rear  side  of the panel.    It is accessible through locked hinged doors or removable bolted doors. Its purpose is containing:•  power terminals;•  outgoing cables;•  current reducers;•  auxiliary terminal boxes (if any). Cable connections Copper busbar  connections  Connection terminals Distribution busbars Removable sheets for  cable entry

23 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear Forms of internal separation PC3.0/MNS  R  switchgear  allows  to  achieve  forms  of internal  separation  in  compliance  with  the  reference Standard IEC  60439-, Annex D. The use of these separation forms provides safe access to the internal parts of the switchgear for the operators and prevents as well any possible fault from propagating through the circuits and through the adjacent compart-ments,  to  the  advantage  of  service  continuity  for  the installation.

24 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies A B C 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear Typical compartments and cross-sectionsABB  SACE  PC3.0/MNS  R  switchboards  have  been designed and built for the installation of both ABB air circuit-breakers  type  Emax  as  well  as  moulded-case circuit-breakers type Isomax and Tmax, in fixed, plug-in and withdrawable versions. They allow the installation of the main ABB apparatus and of the measuring and protection instruments available on the market, according to the different design requirements. VentilationTo  guarantee  an  effective  natural  ventilation  of  the  in-stalled  components,  PC3.0/MNS  R  switchgears  have been designed so as to create separate air flows in all their internal areas. Gratings  for  natural  air  circulation  are  placed  on  the front and rear closing panels in the bottom part of the compartment with air outlet through the gratings on the roof and on the rear closing panel in the top part of the compartment. A  = Apparatus area B  = Busbar area C  = Cable area Diagram of natural ventilation of the unit

25 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear 4 .2  Versions of the switchgear type    PC3.0/MNS R Available versionsABB PC3.0/MNS R switchgears are available, accord-ing  the  customers’  requirements,  in  the  following  ver-sions/types:  • for indoor installations;   • top and bottom entry for power cables;   • top and bottom entry for bus ducts;   • top and bottom entry for auxiliary cables;   • standard painting;   • special painting cycle for aggressive environments;   • bare busbars;   • sheathed busbars;   • busbars with protective electrolytic treatment;   • flame-proof cables and wiring;   • flame-proof and alogen free cables and wiring;    • arc-proof;   • degree of protection IP30...54;   • forms of separation 3a, 3b and 4b.   Arc-proof versionUpon request, in order to achieve the maximum safety levels, a version tested in compliance with the Techni-cal Report IEC 664 is available. It can withstand the stresses caused by any possible internal arc for short-circuit currents up to 75 kA for 500 ms at 726 V, corre-sponding to 00 kA for 300 ms, still keeping unchanged the voltage value of 726 V. Version complying with UL StandardsThere  is  a  solution  available  in compliance with the Standard UL 558 and intended for the  North American market.

26 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear Power Motor Control Center integrated solutionsBy means of a busbar transition panel it is possible to build Power Motor Control Centers to supply withdraw-able motor control feeder units. Besides, without transition panels, it is possible to obtain Power Motor Control Centers with withdrawable drawers by using MCC columns with rear access.  In this solution, the auxiliary connections are always ac-cessed from the front, whereas the power connections are available at the back. Front view Lateral section 600 Front Main busbar compartment Earthing busbar Power cable entry 200/300 800/900 025/200/400/600 2200 2200 600 200/300 800/900 025/200/400/600 Front INTERNAL DIVISIONS Drawers/apparatus areaAuxiliary cable areaPower cable connection area (form 4b)Power cable entry/exitVertical busbar area

27 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies 4 ABB SACE ar c-pr oof switchgear “Intelligent” switchgearThanks to the use of electronic releases with dialogue function,  the  air  and  moulded-case  circuit-breakers installed  inside  the  switchgear  can  be  controlled  and managed by a supervision system.  To integrate the moulded-case and air circuit-breakers equipped with electronic releases into a correct instal- lation management, ABB SACE supplies SD-View 2000, a “ready to use” system consisting of a software which, when  installed  in  a  personal  computer  with  standard configuration, allows the full control on the low voltage electrical  installation.  Modbus®  RTU,  the  recognised standard in the electrical distribution sector, is supplied as communication protocol.

28 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies Annex A: T est on an ar c-pr oof switchboar d Annex A: Test on an arc-proof switchboard This Annex describes a test carried out on an arc-proof switchboard.  The purpose of this test is verifying that no solid parts fly off in the area adjacent to the assembly due to internal arcing; the arc is caused by a current with a prospective short-circuit value specified by the manufacturer. More precisely, compliance with the following seven criteria must be assessed:. correctly secured doors, covers , etc., do not open; 2. parts which may cause a hazard, do not fly off (this  includes both large parts as well as parts with sharp edges); 3. arcing does not cause holes in the freely accessible  external parts of the enclosure as a result of burning or other effects; 4. the indicators arranged vertically do not ignite;5. the equipotential bonding arrangement for the acces- sible parts of the enclosure is still effective; 6. the arc is limited to a defined area without re-ignition  in adjacent areas; 7. after the fault extinction, the isolation or the removal of  the functional unit affected by the fault, it is possible to put into safety the sound part of the switchboard  (emergency  operations).  This  shall  be  verified  by  a dielectric test to be performed at a value which is .5 times the rated voltage for the duration of  minute. The  test  shall  be  carried  out  on  a  test  specimen  not previously subjected to an arcing test and the mounting conditions shall be as close as possible to those of nor-mal service. The test specimen shall be fully equipped with its internal components and the assigned measure for the protection of person shall be effective. To verify that gases or ejected solid parts do not cause unwanted  effects,  indicators  constituted  by  pieces  of cotton cloth fitted in mounting frames are used. These indicators shall be placed up to a maximum height of 2m and at a distance of 30cm ± 5% from the assembly,  facing all the points where gases are likely to be emitted (joints, inspection windows, doors etc.). The arc has been initiated between the phases by means of a bare copper ignition wire connecting the adjacent conductors across the shortest distance. The arc shall be initiated on three phases so that it can turn into a three-phase fault and the point of initiation shall be chosen so that the effects of the resultant arc produce the highest stresses in the assembly. The wire size depends on the test current. The initiation points of the arc shall be chosen where, ac-cording to experience, an internal arc can form, that is:  • at the connection points of the main busbar sys- tems;   • in the live not insulated parts on the supply side of  the switching and protective devices;   • in the areas of cable terminals. Besides, the ignition wire shall be connected only to ac-cessible bare conductors. The applied voltage of the test circuit shall be equal to the highest rated voltage of the assembly, with a tolerance of +5% and the prospective short-circuit current, specified by  the  manufacturer,  shall  be  verified  by  a  calibration oscillogram. The peak value of the current is obtained by multiplying the short-time withstand current by a factor n. The standardized values of factor n and the relevant power factor values are shown in the following table. RMS value of short-circuit current kA cos j n I  ≤  5 0.7 .5 5  I  ≤ 0 0.5 .7 0  I  ≤ 20 0.3 2 20  I  ≤ 50 0.25 2. 50  I  0.2 2.2 Note Values of this table represent the majority of applications. In special locations, for example in the vicinity of transformer or generators, lower values  of power factor may be found, whereby the maximum prospective peak current may become the limiting value instead of the r.m.s.value of the  short-circuit current.

29 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies Annex A: T est on an ar c-pr oof switchboar d The impedance used to verify the test current shall be the same used during the test.The  test  duration  is  given  by  the  manufacturer.  It  is chosen according to the time response of the electrical protection devices. If details regarding these devices are not known, a power supply duration of at least 0.s is applied. Normally this duration should not exceed 0.5s. A positive test result is obtained when the above men-tioned criteria are fulfilled.Three tests have been carried out:A. calibration test;B. test with arc ignition at the terminals of an outgoing unit; C. test with arc ignition between the main busbars. A. calibration testThe current carrying capacity of the circuit is verified with 65 kA test current at 462 V (440 V+5%) rated voltage. The table below shows the values measured during the test. 1_I1 2_I2 3_I3 Average values Symmetrical current [kA]  65.9 65.0 65.7 65.5 Peak current [kA]  -29 44 -06 Start [ms] 75.8 76.5 75.9 End [ms]  409.4 408.5 409.4 Cos j 0.6 Legend:   • _I, 2_I2, 3_I3: currents in the three phases   • Cos j: power factor The  figure  below  reports  the  oscillogram  showing  the line-to-line voltages (7_Ur, 8_Ur2, 9_Ur3) and the cur-rents (_I, 2_I2, 3_I3) in the three phases.  kV - 250 kA -250  kV -  kV - 250 kA -250  kV -  kV - 250 kA -250  kV - 0 V -0 4_Ur4  k/div _I 250 k/div 7_Ur  k/div 5_Ur5  k/div 2_I2 250 k/div 8_Ur2  k/div 6_Ur6  k/div 3_I3 250 k/div 9_Ur3  k/div 0_Cam 0/div 20 ms/div 0 20 40 60 80 00 20 40 60 80 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 ms

30 Technical Application Papers Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies Annex A: T est on an ar c-pr oof switchboar d B. test with arc ignition at the terminals of an outgoing unitAfter  the  circuit  calibration  an  arc-proof  test  shall  be carried out applying for 0.3 s a test current of 65 kA at a voltage of 462 V (440 V+5%).The arc has been initiated between the upper terminals of a circuit-breaker of one of the outgoing units: the du-ration of the current has resulted to be only 7.7 ms due to self-extinction of the arc. As a consequence also the current value results to be reduced. The arc has extinguished within the first half of the full intended test duration without being ignited again and therefore, in compliance with the Technical Report IEC 664, such test shall be repeated using the same point of initiation as for the first test. Since the arc has extinguished within the first half of the full intended duration also during this repetition, a further test is not required. The table below shows the values measured during the test. 1_I1/4_Ur4 2_I2/5_Ur5 3_I3/6_Ur6 Maximum current [kA] 0.3 9.8  -9.8 Maximum voltage [V] 786  349 -746 Arcing energy [kJ] .28   22.7 22.3 Total specific energy [A2s] 4.38E+04 .43E+06 .52E+06 Arcing power [W]  6.98E+06 5.52E+06 7.55E+06 Arc duration [ms] . 7.7 7.6 Legend:   •  _I, 2_I2, 3_I3: currents in the three phases   •  4_Ur4, 5_Ur5, 6_Ur6: arcing voltages   •  Cos j : power factor The  figure  below  reports  the  oscillogram  showing  the arcing  voltages  (4_Ur4,  5_Ur5,  6_Ur6),  the  line-to-line voltages (7_Ur, 8_Ur2, 9_Ur3) and the currents (_I, 2_I2,  3_I3)  in  the  three  phases.  In  the  oscillogram  the short duration of the currents due to the fast arc extinc-tion can be noticed.  kV - 50 kA -50  kV -  kV - 50 kA -50  kV -  kV - 50 kA -50  kV - 2 V -2 4_Ur4  k/div _I 50 k/div 7_Ur  k/div 5_Ur5  k/div 2_I2 50 k/div 8_Ur2  k/div 6_Ur6  k/div 3_I3 50 k/div 9_Ur3  k/div 0_Cam 2/div 20 ms/div 0 20 40 60 80 00 20 40 60 80 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 ms

3 Arc-proof low voltage switchgear and controlgear assemblies Annex A: T est on an ar c-pr oof switchboar d C. test with arc ignition between the main busbarsA further test, always 65 kA at 462 V, is carried out with arc initiation between the main busbars; the actual duration of the current has resulted to be 0.3 s, with temporary self-extinctions of the arc on the phases L and L3 and subsequent re-ignition. The table below shows the values measured in the test. 1_I1 2_I2 3_I3 Peak current [kA] 55.7 -62.3 46.6 Duration [ms] 30.37 30.37 26.76 Specific energy [A2s] 2.53E+08  2.97E+08 .2E+08 The  figure  below  reports  the  oscillogram  showing  the arcing  voltages  (4_Ur4,  5_Ur5,  6_Ur6),  the  line-to-line voltages (7_Ur, 8_Ur2, 9_Ur3) and the currents (_I, 2_I2, 3_I3) in the three phases.  kV - 00 kA -00  kV -  kV - 00 kA -00  kV -  kV - 00 kA -00  kV - 2 V -2 4_Ur4  k/div _I 50 k/div 7_Ur  k/div 5_Ur5  k/div 2_I2 50 k/div 8_Ur2  k/div 6_Ur6  k/div 3_I3 50 k/div 9_Ur3  k/div 0_Cam 2/div 20 ms/div 0 20 40 60 80 00 20 40 60 80 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 ms

Technical Application Papers February 2008 6 1SDC007105G0201  February ’08 Printed in Italy 0.000 - CAL ABB SACE  A division of ABB S.p.A. L.V. Breakers Via Baioni, 35 24123 Bergamo - Italy Tel.: +39 035.395.111 - Telefax: +39 035.395.306-433 http://www.abb.com Due  to  possible  developments  of  standards  as  well  as  of materials, the characteristics and dimensions specified in this document may only be considered binding after confirmation by ABB SACE.