Interruttori Automatici con Dispositivo di Protezione a

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Interruttori Automatici con Dispositivo di Protezione a Microprocessore
Introduzione
Nella progettazione di un impianto elettrico si deve sempre partire dal presupposto che, anche con una
corretta scelta dei componenti del circuito di potenza e degli schemi di comando e di controllo, non è
possibile escludere in modo certo l’eventualità di guasti conseguenti a difetti, eventi accidentali od errori
umani. Nel complesso degli accorgimenti che possono essere adottati per limitare i danni all’impianto ed ai
suoi componenti, la tempestiva interruzione del circuito guasto per mezzo del sistema di protezione svolge
un ruolo determinante.
Gli interruttori automatici di bassa tensione rappresentano un preciso punto di riferimento per l’impiantista
elettrico. Le caratteristiche di affidabilità, insieme al miglioramento delle prestazioni, hanno fatto degli
interruttori automatici apparecchi di protezione dei circuiti di potenza a bassa tensione pressochè insostituibili.
Il progettista di impianti elettrici, oltre ad apprezzare la già citata affidabilità aveva imparato nel tempo a
farne un uso corretto, basato su caratteristiche tecniche da tempo consolidate e quindi ben conosciute.
Negli ultimi anni alcune innovazioni tecnologiche hanno aperto nuove prospettive nell’applicazione
impiantistica degli interruttori automatici di bassa tensione. In estrema sintesi si può dire che le nuove
possibilità di applicazione sono legate all’introduzione e allo sviluppo della tecnica di interruzione con
limitazione della corrente, alla miniaturizzazione degli organi di interruzione ed allo sviluppo delle protezioni
elettroniche.
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Sistema di protezione
Il sistema di protezione di un impianto elettrico di distribuzione è chiamato a svolgere essenzialmente le
seguenti funzioni:
togliere dal servizio la parte di impianto in cui si è manifestato il guasto nel piú breve tempo possibile,
per ridurre al minimo l’estensione e l’entità del danno conseguente al guasto stesso;
mantenere in servizio, con il minimo disturbo possibile per l’esercizio, la parte dell’impianto non
interessata direttamente dal guasto.
E’ opportuno ricordare che un sistema di protezione è costituito essenzialmente di due parti:
- una unità intelligente (dispositivo di protezione),
- una unità di manovra (interruttore).
L’unità intelligente misura i parametri del sistema che si vogliono tenere sotto controllo (corrente, tensione,
ecc.) e confronta le quantità misurate con le quantità di riferimento (soglie di regolazione). Quando le
quantità misurate sono minori (in alcuni casi maggiori) delle quantità di riferimento, l’unità intelligente
considera il sistema “normale” e quindi non agisce. In caso contrario essa opera in modo da provocare
l’intervento (apertura) dell’unità di manovra.
Indipendentemente da quelle che sono le specifiche funzioni che sono chiamati a svolgere, i dispositivi di
protezione devono soddisfare ad una serie di requisiti, i principali dei quali sono:
- Sensibilità:
i dispositivi di protezione devono disporre di un campo di regolazione tale da garantire il
loro funzionamento in qualsiasi configurazione possibile della rete e quindi anche nelle
condizioni in cui le grandezze da controllare assumono, in condizioni di guasto, il valore
minimo.
- Selettività:
i dispositivi di protezione devono essere in grado di operare una selezione tra i guasti che
avvengono all’interno della zona che essi sono chiamati a proteggere ed i guasti che stanno
al di fuori della zona stessa. Questa caratteristica di intervento selettivo è realizzata, in
alcuni casi, mediante un ritardo intenzionale dell’intervento.
Si ricorda che secondo la Norma CEI EN 60947-2 (CEI 17-5, quinta edizione): “Apparecchiature a bassa
tensione. Parte 2: interruttori automatici” la categoria di utilizzazione di un interruttore deve essere stabilita
a secondo che essa sia o non sia specificatamente intesa per ottenere la selettività per mezzo di ritardo
intenzionale, rispetto ad altri dispositivi posti in serie sul lato carico, in condizioni di cortocircuito. La Norma
definisce le seguenti categorie di utilizzazione:
- A : interruttori non specificatamente previsti per la selettività, cioè senza ritardo intenzionale;
- B : interruttori specificatamente previsti per la selettività, cioè con ritardo intenzionale.
- Rapidità:
i dispositivi di protezione devono intervenire nel piú breve tempo possibile, compatibilmente
con il rispetto della selettività. La rapidità di intervento delle protezioni, oltre ad evitare il
danneggiamento dei componenti interessati indirettamente dal guasto e ridurre l’estensione
e l’entità del danno nei componenti interessati direttamente, può essere anche un requisito
essenziale alla stabilità della rete, quando siano presenti macchine rotanti.
- Precisione:
è importante che i dispositivi di protezione conservino in modo stabile, durante la loro vita,
le caratteristiche dichiarate e i valori di regolazione impostati.
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- Semplicità:
i dispositivi di protezione devono essere di facile regolazione e applicazione e rientrare in
uno schema il piú semplice possibile, per ridurre i rischi di malfunzionamento del sistema di
protezione.
- Affidabilità:
i dispositivi di protezione devono dare la massima garanzia di comportamento corretto e
cioè intervenire sicuramente e nel modo stabilito, anche dopo lunghi periodi di inattività, e
non intervenire intempestivamente per cause estranee (quale, ad esempio, la presenza di
armoniche con relativa distorsione dell’onda sinusoidale), nelle condizioni ambientali e di
esercizio previste. L’affidabilità della protezione dipende dalla affidabilità intrinseca del
dispositivo di protezione e dalla sua corretta applicazione e manutenzione.
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La scelta degli interruttori
Nella progettazione di un impianto elettrico occorre avere ben presenti, in ogni fase di sviluppo del progetto,
le complesse problematiche inerenti alle protezioni, in modo da realizzare un sistema di protezione
pienamente coordinato e coerente con le esigenze dell’impianto e dotato inoltre della flessibilità necessaria
per adeguarsi agli sviluppi futuri.
Tra i vari componenti dell’impianto elettrico l’interruttore automatico di bassa tensione svolge un ruolo di
particolare importanza poichè ad esso vengono demandate le funzioni di manovra e di protezione dei
circuiti. Per lo svolgimento di queste funzioni criteri di sicurezza generali ed esigenze di continuità di
esercizio impongono di coordinare le caratteristiche degli interruttori automatici sia con quelle degli altri
componenti dell’impianto sia con quelle degli interruttori installati a monte e a valle.
In occasione di cortocircuiti l’interruttore è chiamato ad interrompere il circuito interessato dal guasto limitando
al massimo i danni provocati dal guasto stesso. Tali danni, come noto, sono essenzialmente legati a fenomeni
di natura termica ed elettrodinamica. I fenomeni di natura termica sono legati sia ai valori della corrente di
guasto che alla loro durata (I²t), mentre i fenomeni di natura elettrodinamica riguardano sforzi meccanici
indotti nei conduttori che sono funzione dei valori massimi delle correnti. Ne risulta che una drastica riduzione
dei valori delle correnti di cortocircuito e delle loro durate assicurate da un rapido intervento degli interruttori
automatici apporta a notevoli benefici all’impianto a valle. Il fenomeno dell’interruzione con limitazione
della corrente ha consentito di ridurre le dimensioni degli interruttori pur consentendo di ottenere elevati
poteri di interruzione.
Studiando attentamente il fenomeno della limitazione e facendo uso del processo tecnologico della metallurgia
e delle tecniche di assemblaggio è oggi possibile realizzare interruttori di dimensioni ridottissime che di
conseguenza offrono notevoli vantaggi economici, ma che assicurano comunque elevate prestazioni.
Nell’ambito degli interruttori scatolati, la tecnologia Terasaki si riflette sul nuovo sistema Fast Break
Meccanism (meccanismo ad interruzione rapida) applicato all’intera serie di interruttori automatici TemBreak
(Figura 1). Tale sistema permette di ottenere caratteristiche di interruzione di notevolissima efficacia.
I suoi punti di forza sono: conduttori con sagomatura ad U, meccanica di interruzione con contatti a repulsione
a doppio movimento, camere di interruzione speciali (Figura 2).
Le prestazioni di interruzione degli interruttori automatici TemBreak danno luogo ad eccezionali caratteristiche
di limitazione della corrente di guasto a tutt’oggi mai raggiunte se non unicamente con interruttori limitatori
puri (Figura 3).
Della serie TemBreak fa parte una famiglia di interruttori scatolati con dispositivo di protezione a
microprocessore a 8-bit che rappresenta una importantissima evoluzione per i sistemi elettrici in bassa
tensione (Figura 4).
Nell’ambito degli interruttori aperti, tutti gli interruttori automatici della serie TemPower della Terasaki
(Figura 5) sono dotati di dispositivo di protezione a microprocessore a 8-bit (Figura 6) e assicurano le
caratteristiche di piena protezione necessarie a sistemi di distribuzione in bassa tensione, permettendo
inoltre di raggiungere la massima affidabilità operativa.
Gli interruttori TemBreak e TemPower con dispositivo di protezione a microprocessore sono caratterizzati
da prestazioni particolarmente elevate in relazione alle dimensioni d’ingombro ridotte.
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Interruttori scatolati TemBreak con dispositivo di protezione a microprocessore
Tutti gli interruttori automatici della serie TemBreak con dispositivo di protezione a microprocessore a 8-bit
assicurano le caratteristiche di piena protezione necessarie a sistemi di distribuzione in bassa tensione,
permettendo inoltre di raggiungere la massima affidabilità operativa.
Insensibilità alle armoniche
Le apparecchiature con controllo a semiconduttori installate nel sistema di distribuzione possono essere
sorgenti di armoniche di corrente. Ciò può causare malfunzionamenti nelle altre apparecchiature inserite
nel sistema. Il dispositivo di protezione a microprocessore installato sugli interruttori automatici TemBreak
è progettato per individuare il vero valore efficace della corrente ciò significa che le armoniche di corrente
sono per esso totalmente ininfluenti (Figura 7).
Caratteristiche di protezione
Le caratteristiche di protezione del dispositivo a microprocessore degli interruttori automatici TemBreak
comprendono (Figura 4):
protezione per sovraccarico regolabile in corrente e tempo (per uso generale o per protezione
generatori),
protezione per cortocircuito regolabile in corrente e tempo (per assicurare la selettività con interruttori
o fusibili posti a valle),
protezione per intervento istantaneo regolabile in corrente,
protezione per guasto a terra regolabile in corrente e tempo,
allarme di pre-sgancio regolabile in corrente.
E’ prevista la segnalazione dell’intervento di ogni singola protezione mediante LEDs di sgancio (Figura 4).
Regolazione delle protezioni sul relè a microprocessore 8-bit
La corrente In è la corrente nominale dei TA (corrente nominale dell’interruttore).
La corrente base Io è il valore di corrente di riferimento per la regolazione dei valori di intervento delle
protezioni.
La corrente della protezione per sovraccarico I1 è regolabile a gradini scegliendo tra 15 possibili valori
compresi tra il 50% ed il 100% della corrente nominale. Ciò si ottiene posizionando lo switch della corrente
base su una delle tre posizioni 63, 80 e 100% della corrente nominale In e ruotando il trimmer della corrente
I1 su una delle sue 5 posizioni (Figura 4).
Queste regolazioni permettono il massimo grado di precisione nella scelta delle correnti con l’obiettivo di un
accurato coordinamento delle protezioni in tutto il sistema di bassa tensione.
Protezione per sovraccarico, Long Time (tempo lungo dipendente):
I1 = 0.80, 0.85, 0.90, 0.95, 1.00 x Io;
T1 = 5, 10, 15, 20, 30s: il valore impostato è il tempo di intervento per un valore di corrente 6xI1.
Protezione selettiva per cortocircuito, Short Time (tempo breve indipendente):
I2 = 2, 4, 6, 8, 10 x Io;
T2 = 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3s.
E’ possibile inserire la caratteristica a rampa (I²t)=cost. per affinare al massimo il coordinamento con fusibili
o interruttori scatolati magnetotermici (Figura 9). La caratteristica a rampa viene inserita portando il relativo
commutatore in posizione ON; in questo caso T2(ON) risulta: T2(ON) = (I²t) / (I2)² = [(10xIo)² x T2] / (I2)².
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Protezione istantanea per cortocircuito, Instantaneous:
I3 = 3 ÷ 12 x Io (regolabile con continuità).
Protezione per guasto a terra, Ground Fault:
Ig = 0.1 ÷ 0.4 x In (regolabile con continuità);
Tg = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.8s
Allarme di pre-sgancio, Pre Trip Alarm:
Ip = 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 x I1 (il ritardo è di 40s).
Garantisce l’alimentazione dei carichi essenziali. La protezione segnala mediante un LED e un contatto
ausiliario la rilevazione di un sovraccarico in atto. Il contatto ausiliario può essere utilizzato per aprire gli
interruttori a valle che alimentano carichi non essenziali, oppure per avviare un gruppo di emergenza.
Esempi di regolazione
Esempio 1
In = 1600A
Io = 1 x In = 1 x 1600 = 1600A
I1 = 1 x Io = 1 x 1600 = 1600A; T1 = 5s, per una corrente di valore 9600A (6x1600A)
I2 = 2 x Io = 2 x 1600 = 3200A; T2 = 0.1s
Se viene inserita la caratteristica a rampa (ON):
T2(ON) = (I²t) / (I2)² = [(10xIo)² x T2] / (I2)² = [(10x1600)² x 0,1] / 3200²; T2(ON) = 2,5s
I3 = 12 x Io = 1 x 1600 = 19200A
Ig = 0.1 x In = 0.1 x 1600 = 160A; Tg = 0.1s
Ip = 0.9 x I1 = 0.9 x 1600 = 1440A (il ritardo è di 40s).
Esempio 2
In = 1600A
Io = 0,8 x In = 0,8 x 1600 = 1280A
I1 = 0,8 x Io = 0,8 x 1280 = 1024A; T1 = 15s, per una corrente di valore 6144A (6x1024A)
I2 = 8 x Io = 8 x 1280 = 10240A; T2 = 0.2s
Se viene inserita la caratteristica a rampa (ON):
T2(ON) = (I²t) / (I2)² = [(10xIo)² x T2] / (I2)² = [(10x1280)² x 0,2] / 10240²; T2(ON) = 0,3125s
I3 = 10 x Io = 10 x 1280 = 12800A
Ig = 0.3 x In = 0.3 x 1600 = 480A; Tg = 0.4s
Ip = 0.9 x I1 = 0.9 x 1024 = 921.6A (il ritardo è di 40s).
La conoscenza delle nuove possibilità offerte dagli interruttori di bassa tensione con relè di protezione a
microprocessore consente al progettista di adottare soluzioni diverse dalle classiche introducendo nel
contempo vantaggi in termini di sicurezza ma anche di economicità globale dell’impianto.
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Interruttori aperti TemPower & AOR-1B dispositivo di protezione a microprocessore
AOR-1B è il dispositivo di protezione a microprocessore, multifunzionale, della Terasaki montato sugli
interruttori di tipo aperto TemPower (Figura 6).
I dispositivi elettronici convenzionali sono sensibili al valore di picco della grandezza in esame. Di
conseguenza sono soggetti a interventi intempestivi in presenza di distorsione armonica. I dispositivi a
microprocessore eliminano tale inconveniente perché sensibili al vero valore efficace della forma d’onda.
AOR-1B è controllato da un microprocessore a 8-bit realizzato mediante la tecnologia dei circuiti integrati a
doppia superficie e alta densità d’integrazione, ottenendo in questo modo un aumento dell’affidabilità e una
riduzione delle dimensioni del dispositivo di protezione.
Le funzioni di protezione, di segnalazione, di test, di misura, di autodiagnostica sono raggruppate in 25
diverse combinazioni per rispondere a qualsiasi esigenza impiantistica.
I tipi base sono (Figura 9):
- AOR-1BL - caratteristica tipo L per impiego generale;
- AOR-1BM - caratteristica tipo M con intervento rapido su sovraccarico;
- AOR-1BS - caratteristica tipo S per protezione generatori.
Il tipo standard, di serie, è il dispositivo AOR-1BL-AL.
Le regolazioni possibili permettono il massimo grado di precisione nella scelta delle correnti con l’obiettivo
di un accurato coordinamento delle protezioni in tutto il sistema di bassa tensione.
Ict, in ampere, è la corrente primaria dei TA che alimentano il dispositivo di protezione:
Ict = 80 - 160 - 320 - 630 - 1250 - 1600 - 2000 - 250 - 3200 - 4000A.
Io, in ampere, è la corrente base, valore di riferimento per le regolazioni delle protezioni:
Io = Ict x (0,5 - 0,63 - 0,8 - 1).
Protezione per sovraccarico: LTD (tempo lungo dipendente)
- corrente I1, in ampere: Io x (0,8 ÷ 1,1) - NON
- tempo T1: 0,5 ÷ 30s
La corrente I1 è quindi regolabile dal 40% al 110% della corrente primaria dei TA Ict.
Il valore T1 impostato è il tempo di intervento per un valore di corrente 600% I1.
La protezione per sovraccarico è selezionabile con caratteristica a freddo o a caldo tramite un commutatore
(COLD/HOT). La caratteristica di avviamento a caldo tiene conto delle reali condizioni di impiego.
Protezione selettiva su cortocircuito: STD (tempo breve indipendente)
Corrente I2, in ampere: I2 = Io x (1 ÷ 10) - NON
Tempo T2: 80 ÷ 1000ms
La caratteristica a tempo di ritardo costante è adatta per il coordinamento selettivo con altri dispositivi a
tempo di ritardo costante. E’ possibile inserire la caratteristica a rampa (I²t)=cost. per affinare al massimo il
coordinamento con fusibili o interruttori magnetotermici. La caratteristica a rampa viene inserita portando il
relativo commutatore in posizione ON.
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Protezione istantanea su cortocircuito: INST o MCR
Corrente I3, in ampere: I3 = Io x (2 ÷ 16) - NON
Protegge dal cortocircuito senza introdurre alcun tempo di ritardo. Può essere attivata la protezione MCR
che agisce solo in caso di cortocircuito che si presenti durante il ciclo di chiusura dell’interruttore.
Allarme di pre-sgancio: PRE-TRIP
Corrente Ip, in ampere: Ip = Io x (0,75 ÷ 1.1)
Tempo Tp: 60 ÷ 200s, per una corrente maggiore di Ip
Garantisce l’alimentazione dei carichi essenziali. La protezione segnala mediante un LED e un contatto
ausiliario la rilevazione di un sovraccarico in atto, segnala quindi l’imminente intervento della protezione
per sovraccarico. Il contatto ausiliario può essere utilizzato per aprire gli interruttori a valle che alimentano
carichi non essenziali, oppure per avviare un gruppo di emergenza.
Protezione per guasto a terra: GFT
Corrente IG, in ampere: IG = Ict x (0,1 ÷ 0,4)
Tempo TG: 80 ÷ 1000ms
Protezione del neutro: Neutro
Corrente IN, in ampere: IN = Ict x (0,2 ÷ 1)
Tempo TN: 0,5 ÷ 30s, per una corrente IN x 600%
Per interruttori quadripolari impiegati in sistemi di distribuzione trifase a quattro conduttori.
L’AOR-1BL-AL, il tipo standard, di serie, prevede le funzioni LTD, STD e INST. Ciascuna delle tre funzioni
di protezione per sovracorrente può essere disattivata regolando il rispettivo trimmer di regolazione sulla
posizione “NON”.
Tutti i trimmer di regolazione delle correnti e dei tempi di ritardo sono del tipo a scatto, per una regolazione
sicura e accurata.
L’indicazione di sgancio può essere del tipo a contatto singolo o a contatto individuale e LED. Questa
seconda soluzione permette di discriminare il tipo di intervento del dispositivo di protezione.
La sezione di Test permette di simulare le varie tipologie di guasto per un più efficace controllo delle
regolazioni impostate.
Una uscita analogica permette di poter visualizzare anche a distanza gli assorbimenti del carico.
La conoscenza delle nuove possibilità offerte dagli interruttori di bassa tensione della Terasaki con relè di
protezione a microprocessore consente al progettista di adottare soluzioni diverse dalle classiche introducendo
nel contempo vantaggi in termini di sicurezza ma anche di economicità globale dell’impianto.
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Conclusioni
I costruttori di dispositivi di protezione lavorano costantemente per migliorare le prestazioni dei propri
prodotti. Quelli piú sensibili alle esigenze del mercato, dunque degli impiantisti e degli utilizzatori finali,
cercano di indirizzare i loro sforzi di miglioramento seguendo analisi di mercato che vengono effettuate su
campioni di clientela. Un compito difficile che i costruttori si trovano ad affrontare è costituito dalla valutazione
delle indicazioni immediate del mercato, ma soprattutto dalle proiezioni che necessariamente bisogna fare
per queste valutazioni nel futuro a medio e lungo termine. I prodotti messi sul mercato possono apparire in
alcuni casi “inadeguati per eccesso” per i bisogni dell’impianto, solo perchè gli utilizzatori non hanno ancora
avuto l’opportunità di valutare a fondo le possibilità di impiego. E’ quanto è sempre avvenuto con le novità
prodotte dalla tecnica, che spesso sono state accolte con un pò di freddezza dagli operatori del settore.
Il passare del tempo e la migliore conoscenza dei prodotti, ha poi portato alla loro accettazione ed a volte
ad impieghi che andavano ben oltre quei limiti che, al momento della presentazione al mercato, parevano
essere invalicabili. Le recenti evoluzioni degli interruttori automatici di bassa tensione con dispositivo di
protezione a microprocessore hanno aspetti che devono ancora essere pienamente recepiti dagli utilizzatori,
inoltre molte delle loro prospettive di impiego devono essere ancora esplorate (specie per quanto riguarda
l’integrazione con i sistemi di controllo elettronici). In questa fase che potremmo dire interlocutoria tra il
costruttore, che propone prodotti, e l’impiantista, che realizza le prime significative applicazioni, è pensabile
che si generino sinergie che potrebbero portare a nuovi criteri nella definizione e nella realizzazione degli
impianti elettrici, oltre che a successive evoluzioni degli apparecchi. E’ auspicabile che tutto ciò avvenga
nell’interesse generale di tutti, cioè in modo tale da ottenere impianti complessivamente piú economici e
soprattutto sempre piú sicuri.
Bibliografia
[1]
Norma CEI EN 60947-2: “Apparecchiature a bassa tensione. Parte 2: Interruttori automatici”.
Settembre 1992.
[2]
O. Sangiorgio
Nuove prospettive impiantistiche aperte dallo sviluppo tecnologico degli interruttori di bassa tensione
Corso di aggiornamento: Problemi energetici nell’autoproduzione e nell’utilizzazione dell’energia,
Pavia, 1993.
[3]
A. Boggioni, M. Stiz, G. Vallino Costassa
Scelta dei relè e dei sistemi integrati statici e a microprocessore. Scelta dei TA e dei TV - Giornate
di studio: Progetto degli impianti elettrici di energia, Pavia, 1989.
[4]
Documentazione Tecnica Terasaki: TemBreak.
[5]
Documentazione Tecnica Terasaki: TemPower.
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Figura 1
Interruttore scatolato TemBreak della Terasaki.
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Figura 2
Il sistema Fast Break Meccanism applicato all’intera serie degli interruttori automatici
TemBreak della Terasaki.
Conduttori a U
Contatti a doppia repulsione
Camere di interruzione speciali
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Figura 3
Caratteristiche di limitazione degli interruttori automatici TemBreak della Terasaki.
i
Ip
t time
t
Riduzione del valore di picco e minimizzazione dello stress elettrodinamico sui conduttori.
Riduzione dell’energia passante e minimizzazione dello stress termico sui conduttori.
Riduzione del tempo di interruzione e minimizzazione dei danni.
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Figura 4
Dispositivo di protezione a microprocessore 8-bit montato sugli interruttori
automatici scatolati della serie TemBreak della Terasaki.
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Figura 5
Interruttore aperto TemPower della Terasaki.
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Figura 6
Dispositivo di protezione a microprocessore 8-bir AOR-1BL-GS della Terasaki.
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Figura 7
Il funzionamento del dispositivo di protezione a microprocessore degli interruttori
TemBreak della Terasaki non viene influenzato dalla presenza di armoniche.
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Figura 8
Esempio di coordinamento tra un interruttore scatolato magnetotermico (linea sottile
rossa) e un interruttore con dispositivo di protezione a microprocessore con la
caratteristica a rampa inserita per la protezione selettiva su cortocircuito (linea piena
verde).
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Figura 9
Scelta del tipo di dispositivo di protezione AOR-1B.
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