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

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CAPITOLO 4. APPARECCHI DI MANOVRA E PROTEZIONE 4.1 Generalità pag. 24.2 Classificazione degli apparecchi di manovra in base alle funzioni svolte pag. 34.3 Classificazione degli apparecchi di manovra in base al sistema elettrico pag. 44.4 Dati di targa pag. 54.5 Sezionatore pag. 54.6 Contattori pag. 84.7 Interruttore automatico pag. 104.8 Classificazione degli interruttori pag. 124.9 Protezione contro il sovraccarico pag. 144.10 Protezione contro il corto- circuito pag. 144.11Selettività degli interruttori pag. 154.12 Generalità sui relè pag. 154.13 Relé termici e relé magnetotermici pag. 174.14 Relè differenziali pag. 194.15 Parametri caratteristici degli interruttori differenziali pag. 204.16 Relè voltmetrici ed amperometrici pag. 224.17 Fusibile pag. 244.18 Confronto tra fusibili ed interruttori pag. 274.19 Protezione dalle sovratensioni pag. 28

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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 61008-

1 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.

23

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

24

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

25

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);

26

• 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.