Energia elettrica, seconda parte

Lezione di distribuzione - Lezione n. 15

Interruttori in BT

Un interruttore è costituito da un relè e da un apparecchio di manovra. Per relè si intende il dispositivo sensibile alla grandezza che si vuole misurare, in funzione della quale il relè agisce su un apparecchio di manovra, che determina l'apertura. Abbiamo visto vari tipi di relè: relè sensibili all'impedenza, alla tensione, e così via. I relè possono essere classificati in base alla grandezza elettrica, al tempo di intervento (possiamo avere relè istantanei o ritardati, o che possiedono una ben definita legge tempo-corrente: maggiore è la corrente, minore è il tempo in cui l'interruttore interviene), o al principio di funzionamento.

• Voltmetrico, sensibile alla tensione, utilizzato ad esempio usato nelle cabine elettriche;
• Amperometrico, sensibile alla corrente, come i classici interruttori magnetotermici;
• Wattmetrici, sensibili alla potenza attiva, utilizzati dal distributore per controllare la potenza che viene fornita: se si supera la potenza richiesta, il relè interviene e apre il circuito;
• Varmetrici, sensibili alla potenza reattiva, utilizzati ad esempio nelle reti Enel per localizzare i guasti a terra;
• Termici, sensibili alle variazioni di temperatura; sono ad esempio i relè magnetotermici, a lamina bimetallica, e sono ad esempio le termosonde utilizzate nei trasformatori MT/BT per misurare la temperatura dell'olio o dell'isolante: se viene superata una certa temperatura, il relè interviene e apre il circuito.

Riguardo alla modalità di intervento, possiamo avere dei relè:

• Assoluti, in cui viene valutato il superamento di una soglia;
• Direzionali, in cui valutiamo il verso di una grandezza (es. protezioni distanziometriche);
• Differenziali, in cui valutiamo la differenza tra due grandezze.

Caratteristiche dei relè

Consideriamo un relè con caratteristica a tempo inverso: In ordinata abbiamo il tempo, e in ascissa la grandezza elettrica. Per G₂ > G₁ il tempo di intervento risulta T₂ < T₁. L'andamento è di tipo iperbolico, nella forma y = 1/x.

Consideriamo adesso un relè “istantaneo”. Quando la grandezza elettrica sarà superiore ad una certa soglia, il relè interverrà sempre nello stesso tempo, ed è un tempo prossimo allo zero, nel senso che non sono previsti dei ritardi addizionali imposti. È esattamente quanto avviene nella parte magnetica degli interruttori magnetotermici. Nei casi di cortocircuito, quando la corrente supera una certa soglia, il tempo d'intervento è fisso ed è sui 0,1/0,3 secondi.

Nel relè ritardato a tempo dipendente, scegliamo noi il tempo di intervento. Se viene superata la soglia, non avremo un intervento istantaneo, ma un intervento solo dopo un tempo T₀. Dal punto di vista grafico, nella caratteristica abbiamo una traslazione verso l'alto pari a T₀.

È possibile combinare queste caratteristiche, ottenendo ad esempio un relè ritardato a tempo inverso. In questo caso, per valori della grandezza elettrica G che aumentano, il tempo che il relè impiegherà sarà via via minore. Il tempo minimo di intervento è pari a T₀. Dal lato grafico vediamo che la caratteristica risulta traslata verso l'alto di un tempo pari a T₀.

Relè elettronici

I relè elettronici sono utilizzati ad esempio nei grossi impianti. Sono relè particolari e utili perché permettono vari tipi di regolazione: possiamo regolare sia le soglie di intervento che i tempi di intervento. La soglia LR indica il Lungo Ritardo. La soglia CR indica il Corto Ritardo. Man mano che la corrente cresce, l'interruttore dovrà intervenire in tempi sempre più brevi. In questo tipo di interruttori sono possibili delle regolazioni anche molto dettagliate.

Il relè elettromagnetico è usato nei classici interruttori modulari. Abbiamo un elettromagnete, dei contatti e una molla. Al passaggio della corrente, la forza imposta al contatto mobile supera quella resistente della molla, consentendo l'apertura del circuito.

Un altro tipo di relè, utilizzato spesso per gli interruttori modulari, è lo sganciatore termico. Si ha una lamina bimetallica, costituita da due metalli diversi, aventi dunque due diversi gradi di dilatazione termica. Nel caso di passaggio di una corrente superiore a quella che fa intervenire l'interruttore si ha l'apertura del circuito.

Classificazione degli interruttori

Gli interruttori hanno il compito di interrompere le correnti anomale (o sovracorrenti). Per fare ciò, la norma CEI 64.8 ci permette di usare interruttori, ma anche fusibili e relè termici (come nel caso di protezione dei motori). La norma stessa obbliga l'installazione di questi apparecchi per interrompere le sovracorrenti.

In base ai tempi di interruzione di una corrente di cortocircuito, o in generale delle correnti anomale, si possono avere tre tipologie di interruttori:

• Limitatori, se l'interruzione viene fortemente anticipata rispetto allo zero naturale della corrente. Se ho un circuito elettrico, e nell'istante t=0 nasce il cortocircuito, inizialmente ho un picco di corrente, molto alto, e se il cortocircuito non viene interrotto ho un andamento oscillante, che alla fine porta alle condizioni di regime. Gli interruttori limitatori sono in grado di interrompere la corrente prima del passaggio per lo zero, impedendole comunque di raggiungere il picco.
• Rapidi, se l'interruzione della corrente avviene al primo, o al più al secondo passaggio per lo zero. Essendo il periodo di 20 ms, anche i tempi di interruzione sono nell'ordine dei 20 ms. Per valori di tensione superiori, questa interruzione è più difficile, e i tempi di intervento saranno più elevati. Come ordine di grandezza si è sui 120 ms.
• Selettivi, se l'intervento è volutamente ritardato per ottenere selettività. Se ho più interruttori uno dietro l'altro, per avere selettività dovrò fare in modo che intervenga prima quello vicino al guasto; quelli a monte, invece, non dovrebbero intervenire.

Possiamo suddividere ulteriormente gli interruttori in: aperti (o “in aria”), scatolati, modulari. Nella cabina della facoltà abbiamo visto l'interruttore generale, subito a valle del trasformatore. Tale interruttore è di tipo aperto. Questi interruttori 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). Gli interruttori scatolati sono contenuti in una scatola, che funge anche da isolante tra le fasi e verso la terra. Nella cabina, il primo interruttore era di tipo aperto, gli altri erano scatolati, dal potere di interruzione molto elevato. I modulari sono quelli piccoli, classici, che si è abituati a vedere nei quadri elettrici. Questi tre tipi di interruttori differiscono per le differenti dimensioni, ma anche per i valori del potere di interruzione e per la corrente nominale.

Caratteristiche degli interruttori

Modulare

• Corrente nominale: 125A max
• Potere di interruzione I_CU: 50kA max

Scatolato

• Corrente nominale: 3200A max
• Potere di interruzione I_CU: 150kA max

Aperto

• Corrente nominale: 6300A max
• Potere di interruzione I_CU: 150kA max

Funzioni degli interruttori automatici

Chiudere il circuito: la chiusura dei contatti deve permettere il passaggio della corrente, che prima non circolava. Quale corrente circolerà alla chiusura del circuito? Ovviamente dipenderà dal carico. Nel caso dei carichi-luce, la corrente sarà pari al rapporto tra la potenza e la tensione; se il circuito alimenta dei motori, possiamo avere per qualche secondo delle correnti elevate pari anche a 7/8 volte la corrente nominale.

Condurre la corrente: l'interruttore deve consentire il passaggio della corrente, anche della corrente di spunto, e in questo caso non deve aprire. L'interruttore deve permettere comunque il passaggio di queste correnti (seppur elevate, ma per tempi brevi). La conduzione della corrente non è un aspetto banale. Il passaggio della corrente provoca riscaldamenti, che non devono essere eccessivi. In particolare, la situazione diventa complicata se consideriamo che nei quadri elettrici abbiamo più interruttori affiancati, che si influenzeranno termicamente tra di loro. Nel caso particolare di interruttori ad intervento ritardato (in modo da avere selettività cronometrica), essi dovranno lasciar passare anche una corrente di guasto prima che possano intervenire, nel senso che non devono aprire in modo intempestivo.

Aprire il circuito e interrompere la corrente (in condizioni normali e di guasto): l'apertura del circuito può essere volontaria (nel senso che si agisce sul meccanismo per provocare l'apertura dell'interruttore), oppure comandata da un relè (o sganciatore) a seguito di una situazione anormale, o infine tramite uno sganciatore ausiliario (come ad esempio i pulsanti di emergenza nelle attività soggette ai controlli dei Vigili del fuoco). Questi sganciatori ausiliari possono essere dispositivi a minima tensione, a lancio di corrente, a corrente differenziale.

Garantire il sezionamento: le normative obbligano ad avere dei punti di sezionamento negli impianti elettrici. Come seziono l'impianto? Ad esempio con un interruttore. All'interno delle cabine elettriche è necessario avere un sezionatore.

Spaccato di un interruttore automatico

La molla è relativa all'intervento magnetico, mentre il bimetallo è relativo all'intervento di tipo termico. La camera spegniarco ha la funzione di soffocare l'arco elettrico. In un interruttore di tipo modulare, a 1 ms i contatti si separano, l'interruttore si sta aprendo, e si ha una piccola fiammata; dopo 2 ms la fiammata diventa ancora più grande; l'arco viene condotto verso la camera di estinzione, e già dopo circa 4 ms l'arco è fortemente indebolito.

Scelta degli interruttori automatici

La scelta dipende:

• Dalle caratteristiche della rete sulla quale viene installato, relativamente ai valori di tensioni e correnti;
• Dalla continuità di servizio desiderata (ad esempio si può aver bisogno di selettività);
• Dalle diverse regole di protezione da rispettare (sistemi TT, TN, IT).

Segni grafici per schemi

La norma riconosce quattro tipi di interruttori: Che differenza c'è tra un interruttore ed un sezionatore? L'interruttore può aprire le correnti di guasto, il sezionatore no; il sezionatore potrà aprire solo quelle di normale funzionamento. Nell'interruttore-sezionatore con fusibili, l'interruzione della corrente di cortocircuito avviene tramite il fusibile.

Confrontiamo adesso questi apparecchi: l'interruttore può chiudere il circuito in condizioni di correnti normali, di sovraccarico e di cortocircuito. Idem l'interruttore di manovra. I quattro apparecchi possono invece sopportare i tre tipi di correnti prima di intervenire.

Definizioni

Corrente nominale di impiego (I_n): è quel valore di corrente che l’apparecchio può portare in modo continuativo senza che accada nulla. Ad esempio, un interruttore da 16A può condurre teoricamente per un tempo illimitato una corrente di 16A.

Corrente di non intervento (I_nf): è quel valore di corrente fino al quale non si ha l’apertura di un interruttore in un tempo convenzionale (soglia termica), pari ad esempio a 1 o 2 ore. Se si ha una corrente I < I_n ≤ I_nf l'interruttore non interverrà.

Corrente di intervento (I_f): è quel valore della corrente per cui si ha l’apertura dell’interruttore nel tempo indicato nelle norme.

Corrente di intervento magnetico (I_m): è il valore per cui si ha l’apertura dell’interruttore in un tempo pressoché istantaneo (soglia magnetica).

Tensione nominale di impiego (U_e): è quel valore di tensione tra le fasi che, con la corrente nominale, determina l’uso dell’apparecchio stesso.

Tensione nominale di isolamento (U_i): è il valore di tensione al quale si riferiscono delle prove dielettriche e le distanze di sicurezza e di isolamento superficiale. Tale valore deve essere più grande della tensione nominale di impiego. In BT, ad esempio, se la tensione nominale è 400V, quella di isolamento è tipicamente sui 690V.

Tensione nominale di tenuta ad impulso (U_imp): è il valore di picco di una tensione ad impulso che l’apparecchio può sopportare senza danneggiamento. Questa tensione va tenuta in conto ad esempio nel caso di sovratensioni di tipo atmosferico, ad esempio originate da fulmini. Per indicare un ordine di grandezza, queste tensioni di tenuta ad impulso sono nell'ordine di pochi kilovolt in BT.

Norme

CEI EN 60898 (CEI 23-3) 1999
Interruttori automatici per impianti domestici e similari

• Tensione nominale fino a 440 V (tra le fasi)
• Corrente nominale fino a 125 A
• Potere d’interruzione nominale fino a 25 kA
• Frequenza 50 o 60 Hz

Questa norma si applica ad esempio ai piccoli interruttori di tipo modulare.

CEI EN 60947-2 (CEI 17-5) 2004
Apparecchiatura a bassa tensione. Parte 2: Interruttori Automatici (Grosse Apparecchiature Industriali CEI)

Caratteristiche di intervento

Magnetotermico: In questa caratteristica vediamo le due zone principali: quella di intervento termico e quella di intervento magnetico. Prima di I_nf non si ha intervento.

Nella caratteristica del catalogo vediamo indicate la corrente nominale, di non intervento, di intervento, di intervento magnetico. Osserviamo che la caratteristica non è univoca. È presente una fascia di indeterminazione dove l'interruttore può o no intervenire. Sono indicate infatti due caratteristiche: una “a freddo” e una “a caldo”. Soprattutto per quanto riguarda la parte termica, se l'interruttore si ritrova ad operare ad una temperatura superiore, il suo intervento avverrà prima. Viceversa avverrà se l'interruttore si ritrova “a freddo”. L'incertezza è anche per la parte magnetica.

Tipi di interruttori secondo la norma CEI EN 60898

A seconda di come sono realizzate queste caratteristiche, la norma CEI EN 60898 individua vari tipi di interruttore, con caratteristiche B, C e D. Come si vede, la principale differenza tra queste caratteristiche è relativa all'intervento di tipo magnetico. Nel tipo B l'intervento magnetico avviene per una corrente tra le 3 e le 5 volte I_n. Nel tipo C l'intervento magnetico è per correnti da 5 a 10 volte I_n, ed infine nel tipo D è per correnti dalle 10 alle 20 volte I_n. Le curve B, C e D sono individuate anche dalla norma CEI EN 60947-2.

Gli interruttori in curva B sono utilizzati per grandi lunghezze di cavi, dal momento che i valori delle correnti di cortocircuito saranno minori, e vorremmo che l'interruttore intervenisse prima. Quelli in curva C sono sicuramente i più diffusi. Quelli in curva D sono utilizzati ad esempio per la protezione di motori.

La norma CEI EN 60947-2 riconosce anche altre caratteristiche: La curva MA è unicamente di tipo magnetico. È usata in interruttori usati per la protezione di motori asincroni. La curva Z è per interruttori che proteggono dispositivi elettronici (aventi correnti di cortocircuito non elevate). La curva K è utilizzata per la protezione di motori.

Esempi di norme

Norma CEI EN 60947-2
I_n = corrente nominale
I_nf = corrente di non funzionamento, pari a 1,05 I_n
I_f = corrente di funzionamento, pari a 1,3 I_n
I_m = soglia magnetica, di valore multiplo della I_n
I_cu = potere di interruzione, riferito ad un valore di tensione
I = corrente d'impiego

Esempio:
Interruttore da 16A:
I_n = 16A
I_nf = 1,05 I_n = 16,8A
I_f = 1,3 I_n = 20,8A

Norma CEI EN 60898
I_n = corrente nominale
I_nf = corrente di non funzionamento, pari a 1,13 I_n
I_f = corrente di funzionamento, pari a 1,45 I_n
I_m = soglia magnetica, di valore multiplo della I_n
I_cu = potere di interruzione, riferito ad un valore di tensione
I = corrente d'impiego

Esempio:
Interruttore da 16A:
I_n = 16A
I_nf = 1,13 I_n = 18,1A
I_f = 1,45 I_n = 23,2A

Moltiplicando questi valori per la tensione (230V) possiamo ragionare in termini di potenze. Se consideriamo la seconda norma, si ottiene:
P_n = 16A * 230V * cosφ = 3,3kW
P_nf = 18,1A * 230V * cosφ = 3,75kW
P_f = 23,2A * 230V * cosφ = 4,8kW

Interruttori elettronici

In questi interruttori esiste la possibilità di regolare diverse soglie, fino a modellare la curva di intervento per soddisfare le nostre esigenze. Ad esempio, potremmo modellare una curva che sia utile nella protezione di un trasformatore, dove la corrente di inserzione è elevata. Queste regolazioni avvengono tramite manopole o tramite programmazione al computer.

Potere di interruzione

I costruttori eseguono delle prove sui loro interruttori, che dovranno...