apparecchi di manovra e protezione

APPARECCHI DI MANOVRA E
PROTEZIONE
Appunti a cura dell’Ing. Emanuela Pazzola
Tutore del corso di Elettrotecnica per meccanici, chimici e
biomedici
A.A. 2005/2006
Facoltà d’Ingegneria dell’Università degli Studi di Cagliari
CAPITOLO 4. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE
4.1 Generalità
pag.
2
pag.
3
sistema elettrico
pag.
4
4.4 Dati di targa
pag.
5
4.5 Sezionatore
pag.
5
4.6 Contattori
pag.
8
4.7 Interruttore automatico
pag. 10
4.8 Classificazione degli interruttori
pag. 12
4.9 Protezione contro il sovraccarico
pag. 14
4.10 Protezione contro il corto- circuito
pag. 14
4.11Selettività degli interruttori
pag. 15
4.12 Generalità sui relè
pag. 15
4.13 Relé termici e relé magnetotermici
pag. 17
4.14 Relè differenziali
pag. 19
4.15 Parametri caratteristici degli interruttori differenziali
pag. 20
4.16 Relè voltmetrici ed amperometrici
pag. 22
4.17 Fusibile
pag. 24
4.18 Confronto tra fusibili ed interruttori
pag. 27
4.19 Protezione dalle sovratensioni
pag. 28
4.2 Classificazione degli apparecchi di manovra in base alle
funzioni svolte
4.3 Classificazione degli apparecchi di manovra in base al
1
2
CAPITOLO 4
APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE
4.1 Generalità
Sono chiamati apparecchi di manovra i componenti dell’impianto capaci di
effettuare almeno una delle seguenti operazioni:
•
interrompere la corrente in un circuito elettrico (manovra di apertura);
•
stabilire la corrente in un circuito elettrico (manovra di chiusura).
Le manovre di apertura e chiusura di un circuito possono effettuarsi:
•
in condizioni normali del circuito elettrico (circuito “sano”), quando in esso
circola la corrente di funzionamento normale o una corrente di sovraccarico,
•
in condizioni anormali del circuito elettrico (circuito “guasto”), quando in esso
circola la corrente di cortocircuito.
Gli apparecchi di manovra possono fondamentalmente dividersi in:
•
interruttori, quando sono costruiti per aprire o chiudere un circuito percorso da
correnti di intensità non trascurabile, anche quella di cortocircuito;
•
sezionatori, quando sono costruiti per aprire o chiudere, in modo visibile o
mediante un dispositivo indicatore affidabile, un circuito percorso da correnti di
intensità trascurabile;
•
contattori, che sono costruiti per aprire o chiudere un circuito solo in condizioni
normali di funzionamento.
In particolare gli interruttori possono essere:
•
gli interruttori di manovra, costruiti per aprire un circuito solo in condizioni
normali o per chiudere un circuito in condizioni normali ed anormali;
•
gli interruttori di manovra-sezionatori, per i quali è possibile verificare la
posizione di aperto in modo visibile o mediante un dispositivo indicatore
affidabile.
3
I circuiti elettrici a media e a bassa tensione possono essere aperti anche per mezzo
di fusibili, che intervengono automaticamente quando la corrente supera un
determinato valore per un tempo prefissato. I fusibili, pur non costituendo in senso
stretto apparecchi di manovra, svolgono alcune delle funzioni proprie degli interruttori,
cioè sono in grado di interrompere correnti di sovraccarico e di cortocircuito.
4.2 Classificazione degli apparecchi di manovra in base alle funzioni
svolte
Fondamentalmente un apparecchio elettrico deve assolvere a due funzioni:
1. Una funzione che potemmo definire "statica" in cui l’apparecchio deve
essere in grado di condurre qualsiasi corrente che possa interessare il
circuito, garantire l’isolamento "parallelo" tra i conduttori attivi e verso le
masse e assicurare l’isolamento "verticale" del circuito a monte rispetto
quello a valle:
•
condurre qualsiasi corrente fino alla corrente nominale del carico e ad
una corrente di sovraccarico ben definita;
•
condurre correnti di corto circuito fino ad un determinato valore;
•
assicurare l’isolamento parallelo, alla tensione d’esercizio, e per
determinate sovratensioni di origine interna o esterna;
•
garantire nella posizione di aperto l’isolamento verticale tra le parti
dell’impianto a monte e le parti dell’impianto a valle ai fini del
funzionamento;
•
garantire la separazione (sezionamento), ai fini della sicurezza, con
precise
condizioni
di
distanza
dei
contatti,
d’isolamento
e
di
mantenimento della posizione dei contatti.
4
2. Una funzione che chiameremo "dinamica" in cui l’apparecchio deve essere
in grado di stabilire o interrompere, in presenza di corrente, la continuità
elettrica tra le varie parti del circuito:
•
stabilire qualsiasi corrente fino alla corrente nominale del carico e ad
una determinata corrente di sovraccarico;
•
stabilire correnti di corto circuito fino ad un determinato valore;
•
interrompere qualsiasi corrente fino alla corrente nominale del carico ed
ad una determinata corrente di sovraccarico;
•
interrompere le correnti di corto circuito.
4.3 Classificazione degli apparecchi di manovra in base al sistema
elettrico
La scelta di ogni dispositivo è legata ai seguenti dati:
le condizioni ambientali e la funzione a cui l’impianto è destinato;
il tipo di sistema (monofase trifase senza o con neutro) e la classificazione in
base alla connessione a terra (TT, TN, IT);
la tensione e la frequenza;
la corrente d’impiego del circuito;
la corrente di sovraccarico che deve essere tale da non far intervenire in modo
intempestivo il dispositivo contro le sovracorrenti;
la portata delle condutture nelle condizioni d’impiego;
l’energia specifica passante ammissibile dalla conduttura e dagli altri
componenti l’impianto;
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la corrente di corto circuito massima presunta nel punto d’installazione degli
apparecchi e, se necessario, la corrente di corto circuito minima all’estremità
della conduttura da proteggere;
il tipo di provvedimento adottato per la protezione delle persone contro i
contatti diretti e indiretti;
le esigenze di continuità del servizio.
4.4 Dati di targa
I dati di targa costituiscono l’insieme delle informazioni minime necessarie per
l’identificazione e la classificazione di un’apparecchiatura. Per questo motivo la targa
deve essere visibile (anche quando l’apparecchio è montato). Non tutte le
informazioni relative al prodotto possono essere inserite nei dati di targa, per queste
occorre fare riferimento alla documentazione che accompagna ogni dispositivo
elettrico.
4.5 Sezionatore
Il sezionatore è un apparecchio meccanico che assicura, nella posizione di aperto,
una distanza di sezionamento (distanza tra i contatti) tale, da garantire una
interruzione sicura. E’ un’apparecchiatura che può aprire e chiudere un circuito
quando la corrente è d’intensità trascurabile o quando la manovra non produce un
cambiamento significativo della tensione ai terminali, ossia in condizioni di
funzionamento a vuoto.
Nella posizione “chiuso”, esso è dimensionato per sostenere la corrente nominale
del circuito e, per una durata specificata, anche una corrente anormale del circuito
come ad esempio una corrente di corto circuito o di avviamento. Alla chiusura deve
essere in grado di sopportare correnti di corto circuito per una durata convenzionale
di 1s (Icw).
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Ogni sezionatore deve essere munito di un dispositivo atto ad indicare la posizione
assunta dai contatti mobili, anche in caso di funzionamento anomalo come ad
esempio in caso di saldatura dei contatti.
Un’indicazione di questo tipo è superflua se la separazione dei contatti è
chiaramente visibile dall’esterno. La Norma 64-8 richiede tra l’altro che la
segnalazione sia attiva solo quando, l’effettiva posizione di sezionamento dei contatti
in apertura su ogni polo del dispositivo sia stata raggiunta.
Dal punto di vista costruttivo il sezionatore è un apparecchio molto semplice. Non è
dotato di dispositivi per l’interruzione della corrente e nemmeno di meccanismi per lo
scatto rapido o automatico. Le velocità di movimento dei contatti mobili dipendono
dall’operatore. Il sezionamento può essere ottenuto con dispositivi unipolari affiancati,
anche se le Norme consigliano di utilizzare apparecchi multipolari per il sezionamento
contemporaneo di tutti i poli del circuito. I dispositivi di sezionamento installati in locali
ordinari devono essere inaccessibili durante i lavori elettrici, in modo da evitare la loro
manovra intempestiva, a meno che il dispositivo sia sotto il diretto controllo di chi
esegue i lavori. E’ preferibile quindi che gli interruttori siano installati in un quadro o in
un locale non accessibile ai non addetti ai lavori.
Esistono diversi tipi di sezionatori, se ne citano alcuni a titolo d’esempio:
•
Sezionatori a semplice interruzione, i quali stabiliscono un solo punto di
interruzione per ciascun polo; un esempio sono i sezionatori a cerniera
comandati a fioretto, illustrati nella figura seguente:
Fig. 1 Sezionatore a cerniera
7
In cui:
L= lama del sezionatore;
I= isolatori;
C= contatti.
•
Sezionatori a doppia interruzione, i quali stabiliscono due punti di
interruzione per ciascun polo, sono di tale tipo i sezionatori a colonna centrale,
mostrati sinteticamente nella seguente figura:
Fig. 2 Sezionatore a doppia interruzione
In cui:
L= lama del sezionatore;
I= isolatori;
C= contatti fissi.
I principali dati di targa dei sezionatori sono i seguenti:
•
Tensione nominale, corrispondente al valore nominale della tensione del
sistema cui l’interruttore farà parte
•
Tensione di riferimento per l’isolamento, corrispondente al valore massimo di
tensione per il quale viene dimensionato l’isolamento dell’apparecchio.
•
Corrente nominale d’esercizio (o portata), ossia il valore efficace della corrente
che può circolare in modo continuativo nel sezionatore senza che la
temperatura dell’apparecchio superi il limite previsto.
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•
Corrente simmetrica di breve durata, ossia il valore della corrente simmetrica
di corto circuito che l’apparecchio è in grado di sopportare per un intervallo di
tempo prefissato (dell’ordine dei ms).
• Corrente di cresta di breve durata, ossia il valore di picco della corrente totale
di corto circuito (somma delle due componenti) che l’apparecchio è in grado di
sopportare per un tempo prefissato, dell’ordine dei ms.
4.6 Contattori
I contattori, detti anche teleruttori, sono apparecchi di comune impiego nei sistemi di
prima categoria per il comando di motori, batterie di condensatori, ecc.
Le parti fondamentali costituenti il contattore sono le seguenti:
Nucleo magnetico (fig. 3) costituito da una parte fissa ed una mobile, di tipo
laminato.
Attorno alla colonna centrale è avvolta una bobina che, quando percorsa da
corrente, magnetizza il nucleo, determinando per attrazione, lo spostamento
della parte mobile, con conseguente chiusura dei contatti normalmente aperti e
apertura di quelli normalmente chiusi. Tale posizione viene mantenuta fino a
quando la bobina è eccitata; nel momento in cui avviene l’interruzione della
corrente circolante nella bobina, apposite molle di richiamo fanno ritornare il
nucleo mobile nella condizione iniziale.
Bobina di eccitazione.
Le caratteristiche della bobina sono la tensione di alimentazione e la potenza
apparente necessaria al funzionamento. Per contattori in corrente alternata, a
50 Hz, un valore tipico di tensione nominale di alimentazione è 24V.
Contatti principali
Tali contatti vengono collegati al circuito che si deve manovrare. Dato l’elevato
numero di manovre per il quale questi apparecchi sono costruiti, i contatti
devono essere realizzati mediante materiali speciali, in grado di assicurarne la
durata e l’efficienza(metalli nobili e le loro leghe).
Contatti ausiliari
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Tali i contatti vengono collegati ai circuiti di manovra; essi sono di sezione
ridotta rispetto ai contatti principali essendo interessati da correnti molto
piccole.
I teleruttori sono dimensionati per interrompere le sole correnti normali d’esercizio,
escluse quelle di corto circuito, pertanto, rispetto ad interruttori di uguale corrente
nominale presentano struttura più semplice, dimensioni ridotte e costo anche
sensibilmente inferiore.
In base alle caratteristiche costruttive i contattori vengono classificati nelle seguenti
due categorie:
•
Contattori su barra, in cui le varie parti costituenti vengono assemblate su una
barra di supporto;
•
Contattori compatti, in cui una scatola isolante di ridotte dimensioni contiene le
varie parti costituenti.
Fig. 3 Schema del nucleo di un contattore
Di seguito verrà specificata la definizione di contattore fornita dalla relativa Norma di
riferimento.
Contattore (Norma CEI 17-3, art. 1.2.03) – “Dispositivo meccanico di manovra, generalmente
previsto per un numero elevato di operazioni, avente una sola posizione di riposo, ad
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azionamento non manuale, capace di stabilire, sopportare ed interrompere correnti in
condizioni ordinarie del circuito e in condizioni di sovraccarico. La posizione di riposo
corrisponde ordinariamente alla posizione di apertura dei contatti principali. Quando la
posizione di riposo corrisponde alla posizione di chiusura dei contatti principali, il contattore
si definisce come chiuso in riposo”.
4.7 Interruttore automatico
L’interruttore automatico è un apparecchio meccanico capace di stabilire, portare
ed interrompere correnti in condizioni normali del circuito e di stabilire, portare (per
una durata specifica) ed interrompere, correnti in condizioni anomale specificate del
circuito, ad esempio quelle di corto circuito.
L’interruttore è tra l’altro caratterizzato dall’avere due posizioni che mantiene in
condizione di riposo (dopo la manovra che le ha determinate) senza che sia
necessario un ulteriore apporto di energia. E’ un apparecchio in grado di connettere e
disconnettere un circuito dall’alimentazione mediante un’operazione, manuale o
automatica, in genere di tipo indipendente poichè permette di raggiungere le posizioni
di aperto e chiuso senza arresto in posizioni intermedie.
La parola ‘automatico’ sta ad indicare il fatto che l’apparecchio interviene
automaticamente quando è attraversato da una corrente superiore alla sua corrente
nominale. Le modalità dell’intervento dipendono essenzialmente dall’entità della
sovracorrente e dalla caratteristica di intervento dell’interruttore.
Ogni interruttore è fornito di due sganciatori di sovracorrente di cui uno (relè
termico), a tempo inverso, provoca l’apertura con un ritardo inversamente
proporzionale al valore della sovracorrente, mentre l’altro (relè elettromagnetico), ad
intervento istantaneo provoca l’intervento a partire da un determinato valore di
sovracorrente (relativamente elevato) con un tempo pressoché costante.
I principali dati di targa delle tensioni degli interruttori sono gli stessi dei sezionatori;
per quanto riguarda invece le correnti si hanno le seguenti grandezze caratteristiche:
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•
Potere nominale d’interruzione, espresso dal valore di corrente di corto circuito
che un interruttore automatico può interrompere ad una tensione superiore di
non oltre il 10% rispetto a quella nominale, quando la frequenza ed il fattore di
potenza sono quelli nominali. Il potere d’interruzione indicato sulla targa di
identificazione dell’apparecchio dovrà essere non inferiore alla corrente di
corto circuito presunta nel punto di installazione dell’apparecchio.
•
Corrente di breve durata, ossia la corrente che l’interruttore può supportare per
una durata specifica, generalmente 3 s.
•
Potere nominale di chiusura, ossia la corrente di corto circuito sulla quale
l’interruttore può essere chiuso ad una tensione superiore del 10% rispetto a
quella nominale quando la frequenza ed il fattore di potenza sono quelli
nominali.
Fig. 4 Segni grafici di interruttori automatici magnetotermici e differenziali
In relazione al tipo di utilizzo gli interruttori sono oggetto di diversi fascicoli normativi.
Di seguito verranno specificate le definizioni indicate dalle relative Norme di
riferimento.
Interruttore (meccanico) di manovra (Norma CEI 17-11, art. 2.1.3) - "Apparecchio
meccanico di manovra destinato a stabilire, portare e interrompere correnti in
condizioni
normali di circuito, comprese eventuali condizioni specificate di
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sovraccarico in servizio ordinario, così come a portare per una durata specificata
correnti in condizioni anormali di circuito, come ad esempio quelle di corto circuito”.
Interruttore sezionatore (Norma CEI 17-11, art. 2.1.5 ) – “Interruttore di manovra che,
nella posizione di aperto, soddisfa alle prescrizioni della distanza di sezionamento
specificate per un sezionatore”
Interruttore automatico (meccanico) (Norma CEI 17-15, art. 2.1.4) – “Apparecchio
meccanico di manovra capace di stabilire, portare e interrompere correnti in
condizioni normali del circuito ed inoltre di stabilire, portare per una durata specificata
e interrompere automaticamente correnti in condizioni anormali specificate del
circuito, ad esempio quelle di corto circuito”.
Interruttore automatico di sovracorrente per usi domestici e similari (Norme CEI 23-3,
art. 2.2.1 dell’allegato) -
“Apparecchio meccanico d’interruzione destinato a
connettere all’alimentazione un circuito ed a disconnetterlo, mediante operazione
manuale, o ad aprire il circuito automaticamente, quando la corrente superi un valore
predeterminato”.
4.8 Classificazione degli interruttori
In base ai tempi di interruzione della corrente di corto circuito si identificano i
seguenti tipi di interruttori:
Limitatori - l’interruzione viene fortemente anticipata rispetto allo zero naturale della
corrente.
Rapidi - l’interruzione avviene al primo o al secondo passaggio della corrente per lo
zero naturale.
Selettivi - l’interruzione viene volutamente ritardata ed avviene dopo alcuni periodi per
permettere la selettività tra interruttori posti in serie.
Inoltre si definiscono:
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Interruttori aperti o in aria- sono interruttori caratterizzati da notevoli dimensioni e
vengono impiegati per usi prevalentemente di tipo industriale. Sono caratterizzati da
correnti nominali, correnti di breve durata e poteri di corto circuito piuttosto elevati.
Vengono impiegati come interruttori di macchina a valle dei trasformatori di MT/BT di
generatori e per partenze con elevate correnti di impiego (1000-2000 A).
Interruttore scatolato - sono interruttori in cui la scatola che li contiene, normalmente
di materiale plastico, funge da supporto per le parti meccaniche e da isolante tra le
fasi e verso massa e da protezione contro i contatti indiretti.
Interruttore modulare - sono interruttori impiegati prevalentemente nel civile e nel
terziario e sono caratterizzati da dimensioni modulari unificate. Queste caratteristiche
permettono una facile installazione a scatto su supporti di tipo normalizzato.
4.9 Protezione contro il sovraccarico
La corrente nominale dell’interruttore automatico deve essere scelta in
relazione alla portata del cavo, ossia deve essere superiore o uguale alla corrente
massima transitabile nel cavo per un tempo indefinito, senza che in questo si
raggiungano sovratemperature inaccettabili.
4.10 Protezione contro il corto- circuito
Gli interruttori automatici scelti per la protezione contro il sovraccarico garantiscono
anche la protezione contro il corto-circuito, purchè abbiano idoneo potere di
interruzione.
Gli interruttori automatici di bassa tensione sono suddivisi in due categorie
fondamentali: interruttori in scatola isolante e interruttori di tipo aperto. Entrambe
queste tipologie di dispositivi vengono a loro volta classificate in funzione del tipo di
intervento che può essere istantaneo o selettivo. A questo scopo la norma CEI 64-8
fa riferimento a due categorie di utilizzo, rispettivamente A (istantanei) e B (selettivi),
come meglio specificato nel § 4.10.
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4.11Selettività degli interruttori
L’articolo 536.1 della Norma CEI 64-8 è dedicato alla selettività tra dispositivi di
protezione contro le sovracorrenti recita “Quando più dispositivi di protezione sono
posti in serie e quando le necessità di esercizio lo giustificano, le loro caratteristiche
di funzionamento devono essere scelte in modo da staccare dall’alimentazione solo
la parte dell’impianto in cui si trova il guasto”.
In definitiva si dovrà fare in modo che in presenza di un guasto intervenga
unicamente il dispositivo di protezione installato immediatamente a monte del punto
guasto. Gli altri dispositivi attraversati dalla corrente di guasto dovranno rimanere
chiusi e consentire al resto dell’impianto sano di rimanere alimentato.
La Norma CEI 17-5 classifica gli interruttori in due categorie di utilizzazione.
Categoria A - Con questi apparecchi si può ottenere solo la selettività di tipo
amperometrico perché non dispongono di dispositivi per il ritardo intenzionale
dell’intervento per correnti di corto circuito. Gli interruttori con corrente nominale
inferiore a 500-630 A appartengono a questa categoria.
Categoria B - Sono interruttori automatici con dispositivo di ritardo intenzionale. In
corto circuito si può ottenere la selettività cronometrica introducendo tempi di ritardo
variabili da 0 a 300 ms. I dispositivi di ritardo possono essere di tipo
elettromeccanico, nei quali si può regolare solo il tempo di prearco, o a
microprocessore, in cui si possono ottenere regolazioni più complesse. Per questi
apparecchi deve essere specificata la corrente nominale di breve durata.
4.12 Generalità sui relè
Il verificarsi di condizioni di funzionamento anormali in un sistema elettrico
potrebbe avere conseguenze anche gravissime qualora non si intervenisse
tempestivamente; ad esempio, nel caso di un cortocircuito, vi sarebbero
sopraelevazioni
di
temperatura
inammissibili,
ingenti
sforzi
elettrodinamici,
abbassamenti di tensione, e così via. È, quindi, indispensabile che siano presenti
sistemi di protezione, capaci di avvertire la presenza di tali condizioni e di renderne
possibile la tempestiva eliminazione.
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Gli apparecchi di manovra, non hanno in sé la capacità di percepire la
presenza della condizione anormale di funzionamento; essi, infatti, pur essendo
capaci di effettuare la “manovra” di interruzione della corrente, non hanno in sé alcun
elemento che li comandi ad effettuare tale manovra. In poche parole, gli apparecchi di
manovra non sono in grado, da soli, di svolgere la funzione completa di protezione se
ad essi non si associa un altro componente capace di percepire la presenza di una
condizione
anormale
di
funzionamento
e
di
comandare,
di
conseguenza,
l’apparecchio di manovra stesso all’intervento. Il relè svolge tale funzione; esso, cioè,
costituisce l'elemento sensibile del sistema di protezione: il suo compito è di tenere
sotto controllo una grandezza indicativa delle condizioni di funzionamento del sistema
(tensione, corrente, frequenza, temperatura, ecc.) e di comandare all’intervento un
opportuno apparecchio di manovra quando tale grandezza assume valori al di fuori
dei valori ammissibili.
Nella accezione attuale il relè designa una gamma decisamente ampia di
dispositivi; in relazione alla grandezza alla quale sono sensibili, i relè vengono
classificati
come
voltmetrici,
wattmetrici,
amperometrici,
frequenzimetrici,
a
impedenza, termici, tachimetrici, ecc.
Per quanto riguarda la classificazione dei relè in base alle caratteristiche
costruttive, i relè possono essere:
•
di
tipo elettromeccanico, il cui funzionamento avviene attraverso lo
spostamento relativo di elementi meccanici sotto l'azione di forze generate da
correnti elettriche proporzionali alle grandezze da controllare;
•
di tipo termico, il cui funzionamento è legato alle variazioni di temperatura;
•
di tipo statico, il cui funzionamento avviene con l’ausilio di circuiti elettronici di
tipo analogico e/o digitale.
La classificazione in base al tempo di intervento fa riferimento all'intervallo che
intercorre tra l'istante in cui la grandezza controllata supera un valore di riferimento e
l'istante in cui viene inviato il segnale ai circuiti comandati dal relè.
In base ai valori che assume il tempo di intervento si hanno:
•
relè ad azione istantanea,
•
relè ad azione ritardata.
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Nei relè ad azione istantanea il tempo di intervento è praticamente nullo (15 ms)
mentre in quelli ad azione ritardata è presente un ritardo più o meno lungo.
I relè ad azione ritardata sono a loro volta distinti in relè:
•
a tempo dipendente, in cui il tempo di intervento è inversamente proporzionale
all'entità della grandezza controllata;
•
a tempo indipendente, in cui il tempo di intervento è fisso e non dipende
dall'entità della grandezza controllata.
A ciascuno dei succitati tipi di relè si associa una diversa caratteristica di intervento,
intendendosi per questa la curva che riporta l’andamento del tempo di intervento del
relè in funzione della generica grandezza Y cui il relè è sensibile (fig. 5).
Fig. 5 Caratteristica d’intervento de relè
4.13 Relé termici e relé magnetotermici
I relè termici sono intrinsecamente dei relè ad azione ritardata a tempo
dipendente: essi intervengono cioè quando la grandezza controllata supera il valore
di taratura, con un ritardo che è inversamente proporzionale all'entità di tale
grandezza.
Poiché la temperatura è in genere strettamente correlata alla corrente che
interessa il componente protetto, la grandezza elettrica che viene controllata dai relè
termici è la corrente, per cui la caratteristica di intervento di un relè termico si
presenta come riportato nella fig. 6.
17
Fig. 6 Caratteristica del relè termico
Dall’insieme di un relè elettromagnetico ad azione istantanea e di un relè
termico si ha un tipo di relè, di uso pressoché universale nel campo dei sistemi di
prima categoria: il relè magnetotermico, la cui caratteristica di intervento è riportata
nella fig. 7.
Fig. 7 Caratteristica del relè magnetotermico
Questi relè vengono tarati in modo tale che:
•
per sovracorrenti non troppo elevate (fino a circa 6÷8 volte la corrente
nominale del circuito da proteggere) interviene il relè termico;
•
per sovracorrenti superiori interviene il relè magnetico.
18
4.14 Relè differenziali
Il relè differenziale interviene quando la differenza tra due grandezze elettriche
supera un determinato valore. L'applicazione più comune è il relè differenziale di
corrente (relè amperometrici differenziali).
Una prima applicazione dei relè amperometrici differenziali è nella protezione
contro i cortocircuiti interni a componenti del sistema elettrico. In tali relè, vengono
confrontate le correnti all'ingresso e all'uscita del componente da proteggere. Il relè
interviene quando la differenza tra le correnti è diversa da zero, cioè quando la
corrente in ingresso è differente da quella in uscita al componente; questo si verifica
in caso di cortocircuito all'interno del componente.
Un altro tipo di relè differenziale, oggi di impiego pressoché universale nei
sistemi di prima categoria, è il cosiddetto relè differenziale “salvavita” (fig. 8). Questo
relè è costituito da un nucleo magnetico attorno al quale sono avvolti i conduttori di
andata e ritorno di alimentazione di una parte di impianto o di un componente che si
vuole proteggere.
In condizioni normali le due correnti sono uguali per cui il flusso all’interno del
nucleo magnetico è praticamente nullo, e di conseguenza anche la corrente indotta
nel terzo avvolgimento.
Quest’ultimo è, infatti, percorso da corrente solo se avviene un cortocircuito
monofase a terra nella parte di impianto o nel componente protetto; in questo caso,
infatti, le correnti I1 e I2 danno luogo ad un flusso risultante diverso da zero e di
conseguenza ad una corrente indotta nel terzo avvolgimento (I3) che determina
l’interruzione dell’impianto (fig. 8).
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Fig. 8 Interruttore differenziale
Dell’interruttore differenziale la Norma CEI 64-8 riporta la seguente definizione:
“dispositivo meccanico destinato a connettere e a disconnettere un circuito
all’alimentazione,
mediante
operazione
manuale,
e
ad
aprire
il
circuito
automaticamente quando la corrente differenziale supera un valore predeterminato”.
Viene altresì precisato che ove fossero presenti anche sganciatori di sovracorrente,
questi devono essere in grado di “provocare automaticamente l’apertura del circuito
principale quando la corrente superi un valore predeterminato”.
4.15 Parametri caratteristici degli interruttori differenziali
In base al tipo costruttivo i dispositivi differenziali si distinguono in:
•
Dispositivi il cui funzionamento non dipende da una sorgente ausiliaria;
•
Dispositivi che dipendono da una sorgente ausiliaria.
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Una ulteriore suddivisione viene effettuata in base alla funzione a cui il dispositivo
differenziale è destinato:
Differenziali puri: sono dotati del solo sganciatore differenziale e quindi garantiscono
solo la protezione verso terra. Devono essere accoppiati a interruttori magnetotermici
o a fusibili per la protezione dalle sollecitazioni termiche e dinamiche.
Differenziali
con
toroide separato: sono impiegati
negli
impianti
industriali
caratterizzati da forti intensità di corrente. Vengono realizzati con relè, costituiti da un
toroide sul quale è disposto l’avvolgimento di rilevazione della corrente differenziale,
che viene utilizzato per comandare il meccanismo di sgancio di un interruttore o di un
contattore di linea.
La Norma CEI 64-8 riporta le definizioni delle seguenti grandezze caratteristiche
dell’interruttore differenziale:
Corrente nominale (In) valore di corrente che l’apparecchio è in grado di portare
ininterrottamente.
Corrente differenziale nominale d’intervento IDn (Norme CEI EN 61008-1 e CEI EN
61009-1) minimo valore della corrente differenziale che determina l’apertura dei
contatti entro tempi specificati. I valori normalizzati sono 0,01-0,03-0,1-0,3-0,5-1A
Corrente differenziale nominale di non intervento IDn0 (Norme CEI EN 61008-1 e CEI
EN 61009-1) valore massimo della corrente differenziale che non provoca l’apertura
dei contatti. Il valore normalizzato, anche se sono ammessi tempi diversi, è
IDn0=0,5IDn
Limiti di intervento e di non intervento dei dispositivi differenziali
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Tempo d’intervento: intervallo di tempo tra l’istante in cui si raggiunge il valore di
corrente differenziale Idn e l’istante in cui avviene l’apertura dei contatti
Potere di chiusura e di interruzione differenziale nominale IDm (Norme CEI EN 610081 e CEI EN 61009-1) è il valore efficace della componente alternata della corrente
presunta differenziale che un interruttore differenziale può stabilire, portare ed
interrompere in condizioni specificate. Il valore minimo di IDm è 10 In oppure 500A
scegliendo il valore più elevato
Potere di chiusura e di interruzione nominale Im (Norme CEI EN 61008-1) è il valore
efficace della componente alternata della corrente presunta, assegnato dal
costruttore, che un interruttore differenziale può stabilire, portare e interrompere in
condizioni specificate. Il valore minimo di Im è 10 In oppure 500A scegliendo il valore
più elevato
Potere di corto circuito nominale condizionale Inc (Norme CEI EN 61008-1) massimo
valore efficace di corrente presunta che il dispositivo, protetto da un dispositivo di
protezione contro i cortocircuiti (interruttore automatico o fusibili), è in grado di
sopportare in condizioni specificate senza subire danni che ne compromettano la
funzionalità. Fino a 10 kA i valori normalizzati sono: 3-4-5-10 kA mentre oltre i 10 kA
e fino a 25 kA il valore preferenziale è 20 kA.
Corrente di cortocircuito nominale condizionale differenziale IDc (Norme CEI EN
61008-1) è il valore di corrente presunta differenziale che un
interruttore
differenziale, protetto da un dispositivo di protezione contro il cortocircuito, può
sopportare
in
condizioni
specificate
senza
subire
modificazioni
che
ne
compromettano la funzionalità. I valori normali sono gli stessi di Inc.
4.16 Relè voltmetrici ed amperometrici
Per capire il principio di funzionamento dei relè voltmetrici e dei relè
amperometrici, si consideri un generico relè elettromagnetico del tipo indicato in fig.
9.
22
Fig. 9 Rappresentazione schematica del relè voltmetrico
Quando circola corrente I nell’avvolgimento dell’elettromagnete si produce nel
circuito formato dal nucleo, dal traferro e dall’armatura mobile un flusso ΦT.
L’armatura mobile diviene, pertanto, sede di una forza di attrazione Fm il cui modulo
è proporzionale al quadrato del valore efficace del flusso al traferro; a tale forza si
oppone una forza resistente Fr esercitata da una molla antagonista. Se la forza di
attrazione è maggiore della forza resistente, l’armatura mobile si sposta verso l’alto e
viene data continuità elettrica tra i contatti fissi attraverso il contatto mobile, con la
conseguenza che vengono alimentati i circuiti comandati dal relè.
A seconda che l'avvolgimento dell’elettromagnete sia connesso in serie o in
derivazione al circuito protetto si ha un flusso al traferro, e quindi una forza Fm,
proporzionale alla tensione (relè voltmetrico) o alla corrente (relè amperometrico).
Il relè elettromagnetico è intrinsecamente un relè ad azione istantanea. Per
ottenere un relè ad azione ritardata a tempo indipendente la parte mobile mette in
funzione un dispositivo di temporizzazione che interviene con il ritardo desiderato.
Agendo, invece, sul tempo richiesto al compimento della corsa dell'armatura mobile
con un adeguato dispositivo smorzatore, realizzato ad esempio attraverso un pistone
23
che si muove in un cilindro contenente un liquido (olio, glicerina) o, semplicemente
aria, si può realizzare un relè ad azione ritardata a tempo dipendente.
4.17 Fusibile
Il fusibile (fig. 10) è un apparecchio di manovra in grado di interrompere, sia le
correnti di sovraccarico, sia quelle cortocircuito. Tale apparecchio, mediante la
fusione di una sua parte, interrompe automaticamente la corrente nel circuito in cui è
inserito quando questa supera un determinato valore per una durata sufficiente.
Il fusibile presenta caratteristiche costruttive e un principio di funzionamento
completamente diversi da quelli degli altri apparecchi di manovra. In esso, infatti, non
sono presenti i contatti, fisso e mobile, che allontanandosi determinano l'interruzione
della corrente; è, invece, presente una "parte sottile" detta elemento fusibile, che è
costituita da uno o più conduttori a forma di filo o di nastro, e che, fondendo,
determina l'interruzione della corrente (fig.10).
È evidente che, affinché l'elemento fusibile fonda è necessario una opportuna
quantità di energia termica; questo è il motivo per cui, nella definizione di fusibile
precedentemente data, compare esplicitamente il fatto che la corrente che percorre il
circuito può essere interrotta solo se supera un determinato valore per una durata
sufficiente.
Poiché l'intervento del fusibile è legato alla fusione di una sua parte (l'elemento
fusibile) e poichè il processo di fusione è irreversibile, ne consegue che il fusibile, una
volta intervenuto, va sostituito: questo è il suo principale inconveniente.
Fig. 10 Rappresentazione schematica del fusibile
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La (fig.11) mostra la curva caratteristica del fusibile, ossia l’andamento dei valori di
tempo di intervento del dispositivo (s) in funzione della corrente che lo attraversa (A).
La caratteristica è detta a tempo inverso, infatti, è facile osservare che il dispositivo
interviene per correnti (I) superiori alla corrente nominale (In), in maniera tanto più
rapida quanto più la corrente fluente nel circuito si discosta da quella nominale.
Fig. 11 Caratteristica d’intervento del fusibile
Esistono diverse classificazioni dei fusibili, e cioè:
•
in base alla tensione (fusibili a tensione superiore a 1000 V e a tensione non
superiore a 1000 V; fusibili per sistemi di I, II e III categoria);
•
in base alle caratteristiche di intervento (a bassa capacità di rottura BCR, ad
alta capacità di rottura ACR, ritardati, extrarapidi);
•
in base alle caratteristiche costruttive (a cartuccia, a liquido, a soffiaggio).
Per tensioni fino a 1000 V, i fusibili più diffusi sono quelli a cartuccia (fig. 12):
Fig. 12 Fusibile a cartuccia
Per i fusibili a cartuccia esistono ulteriori classificazioni in base:
•
alla categoria di utilizzazione (uso generale o protezione dei circuiti di motori);
25
•
al campo di interruzione (a pieno campo, a campo ridotto) .
La categoria di utilizzazione individua il campo specifico di impiego del fusibile,
mentre il campo di interruzione individua l'intervallo di correnti presunte che il fusibile
è in grado di interrompere in particolare:
•
i fusibili a pieno campo sono in grado di interrompere, in condizioni specificate
dalle norme, tutte le correnti che provocano la fusione dell'elemento fusibile
fino al loro potere di interruzione, che è definito in modo analogo a quanto fatto
per gli interruttori.
•
fusibili a campo ridotto sono in grado di interrompere, in condizioni specificate
dalle norme, tutte le correnti comprese tra la corrente K2In (con K 2 >1 e di
valore specificato dal costruttore ed In corrente nominale) e la corrente
corrispondente al potere di interruzione.
La categoria di utilizzazione ed il campo di interruzione dei fusibili vengono
normalmente individuato da una lettera dell'alfabeto, e precisamente:
•
G per i fusibili per uso generale
•
M per i fusibili per la protezione dei circuiti dei motori
•
g per i fusibili a pieno campo
•
a per i fusibili a campo ridotto.
A titolo di esempio, si riportano di seguito alcune combinazioni di uso frequente con il
loro significato:
•
gG cartuccia con potere di interruzione a pieno campo per uso generale,
•
aM cartuccia con potere di interruzione a campo ridotto per la protezione dei
circuiti dei motori.
Le principali grandezze che caratterizzano i fusibili sono:
•
Corrente nominale, ossia la massima corrente che può percorrere il fusibile
senza che questo fonda;
•
Potere d’interruzione nominale, definito in maniera analoga a quello degli
interruttori;
•
Tensione nominale, la quale deve essere non inferiore al quella d’esercizio
della linea da proteggere.
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Si riportano di seguito le definizioni delle principali combinazioni con fusibili ottenute
per integrare le prestazioni e le funzioni di specifici apparecchi :
•
Unità combinata con fusibili (Norma CEI 17-11, art. 2.1.7) – “Apparecchio
realizzato da un costruttore, o secondo le sue istruzioni, risultante dalla
combinazione, in assieme unico, o di un interruttore di manovra, o di un sezionatore,
o di un interruttore-sezionatore, con uno o più fusibili” ;
•
Sezionatore con fusibili (Norma CEI 17-11, art. 2.1.9) – “Apparecchio
costituito da un sezionatore nel quale uno o più poli hanno in serie un fusibile, in un
assieme unico” ;
•
Interruttore di manovra con fusibili (Norma CEI 17-11, art. 2.1.8) –
“Apparecchio costituito da un interruttore di manovra nel quale uno o più poli hanno in
serie un fusibile, in un assieme unico” ;
•
Interruttore con fusibili incorporati (Norma CEI 17-5 art. 2.1.5) ‘Combinazione di interruttore automatico e fusibili in un assieme unico, con fusibile in
serie ad ogni polo destinato ad essere connesso ad un conduttore di fase’.
•
Fusibile - sezionatore (Norma CEI 17-11, art. 2.1.11) - ‘Sezionatore nel quale
una cartuccia o un portafusibile con la sua cartuccia forma il contatto mobile del
sezionatore’ ;
•
Fusibile - interruttore (Norma CEI 17-11, art. 2.1.10) - ‘Interruttore di manovra
nel quale una cartuccia o un portafusibile con la sua cartuccia forma il contatto
mobile dell’interruttore’.
4.18 Confronto tra fusibili ed interruttori
Un confronto tra fusibili ed interruttori permette di fare interessanti considerazioni che
delimitano i rispettivi campi di impiego.
I vantaggi fondamentali dei fusibili sono:
•
il basso costo e il limitato spazio che essi occupano;
•
il potere di interruzione che può ritenersi praticamente illimitato per le esigenze
di protezione degli impianti di prima categoria;
•
la sicurezza di intervento in caso di cortocircuito, in quanto l'interruttore
automatico può non garantire l'intervento se non è curata nel tempo la
manutenzione.
A questi vantaggi si contrappongono una serie di svantaggi.
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In primo luogo vi è da notare che, per l'esercizio dell'impianto, è necessario
sempre avere a disposizione fusibili di ricambio. Infatti, una volta avvenuta la fusione,
per ripristinare il servizio, è necessario effettuare la sostituzione dell'elemento fuso.
L'interruttore, invece, richiede semplicemente di essere richiuso.
Vi è, poi, da osservare che nei circuiti trifasi può fondere il fusibile in una sola
fase a seguito di un guasto monofase; il circuito resta allora alimentato sulle altre due
fasi: tale situazione è indesiderata nel caso di linee che alimentano motori, perché si
sovraccaricano fortemente gli avvolgimenti.
Nei circuiti monofase va, inoltre, posta particolare attenzione nel montaggio dei
fusibili, che vanno posti solo sulla fase e non sul neutro.
Il fusibile, infine, interrompe solo sovracorrenti, per cui debbono essere
abbinati con altri apparecchi separati, capaci di eseguire le altre manovre. Per tutte
queste ragioni i fusibili sono usati solo raramente, nella pratica si preferisce utilizzare
interruttori di manovra.
4.19 Protezione dalle sovratensioni
Gli apparecchi di protezione contro le sovratensioni hanno la funzione di convogliare
a terra le sovratensioni mediante una scarica provocata dalla sovratensione stessa
fra il punto da proteggere e la terra.
La protezione contro le sovratensioni è ottenuta mediante gli spinterometri e gli
scaricatori.
Lo spinterometro è costituito da due elettrodi metallici separati da un certo intervallo
di aria e collegati in derivazione fra ciascun conduttore e la terra. La distanza fra i due
elettrodi è tale che la differenza di potenziale normale tra linea e terra è insufficiente
per adescare un arco, mentre tensioni anomale elevate provocano una scarica
attraverso lo strato d’aria contenuto fra i due elettrodi e si scaricano verso terra (fig.
13).
Tuttavia, una volta avvenuta la scarica verso terra della sovratensione lo
spinterometro non è più in grado di interrompere la corrente a frequenza industriale
che fa
seguito a quella ad impulso, pertanto ad ogni scarica corrisponde
un’interruzione del servizio.
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Lo spinterometro presenta per contro il vantaggio di essere un apparecchio robusto,
semplice ed economico, esso viene impiegato prevalentemente per la protezione dei
trasformatori e degli isolatori degli interruttori ed in impianti secondari dove la
continuità del servizio non è una condizione essenziale.
Fig. 13 Spinterometro montato su una catena di isolatori
Gli scaricatori a resistenza sono costituiti da una serie di spinterometri collegati al
terreno mediante un gruppo di apposite resistenze di materiale ceramico aventi
l’aspetto di blocchi porosi (fig. 14).
La loro caratteristica è quella di avere una resistenza che diminuisce all’aumentare
della corrente: per intense correnti la resistenza è piccola, mentre diviene
notevolmente più elevata se la corrente è ridotta.
Dopo il passaggio della sovratensione, dunque, i resistori contenuti all’interno dello
scaricatore limitano l’intensità della corrente successiva all’impulso a valori che ne
assicurano lo spegnimento da parte degli spinterometri in serie.
Le caratteristiche di questo tipo di scaricatore sono di avere una capacità di scarica
limitata ed una tensione restante abbastanza elevata, dovuta alla caduta di tensione
nei blocchi porosi. Normalmente gli scaricatori non si distribuiscono lungo la linea,
bensì nelle sottostazioni o nelle cabine.
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Fig. 14 Sezione di uno scaricatore a resistenza variabile per media tensione: 1) morsetto di linea; 2)
spinterometri di estinzione; 3) anelli distanziatori; 4) blocchi porosi; 5) custodia in porcellana; 6) cavo per
il collegamento a terra.
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