Il fusibile nella protezione contro le sovracorrenti in bassa tensione

Il fusibile nella protezione contro le sovracorrenti in bassa tensione
di Saveri Gianluigi
1. Generalità
Un’apparecchiatura elettrica in condizioni di normale funzionamento (condizioni specificate dai dati di targa)
assorbe una corrente che viene definita corrente nominale. Alcune apparecchiature elettriche, a seconda
dell’impiego, funzionano però ad una potenza variabile, con un assorbimento di corrente anch’esso
variabile. Ogni qualvolta una di queste apparecchiature assorbe un valore di corrente maggiore di quello
nominale si dice che funziona in regime di sovracorrente.
Un tale funzionamento si manifesta con sovracorrenti riconducibili fondamentalmente a due casi:
·
sovracorrenti dovute a sovraccarichi
Sono correnti tipiche di un circuito elettricamente sano percorso da correnti che possono raggiungere le 6 8 volte la corrente nominale, sopportabili per un tempo determinato perché producono sollecitazioni
termiche. Un sovraccarico non controllato può evolvere rapidamente in un cortocircuito e quindi dovranno
essere adottate delle protezioni che intervengano in tempi tanto più brevi quanto maggiore è l’entità del
sovraccarico.
·
sovracorrenti dovute a guasti o corto circuiti
Si verificano in un circuito elettricamente guasto a causa di un contatto, di impedenza nulla tra due parti in
tensione, che esclude la parte di impianto a valle del guasto. La corrente aumenta molto rapidamente
sottoponendo il circuito a sollecitazioni termiche e a sforzi elettrodinamici e provocando archi elettrici che
possono essere causa di innesco d’incendio o di esplosioni. Poiché gli effetti di un corto circuito si
manifestano
in
tempi
brevissimi
il
guasto
deve
essere
eliminato
quasi
istantaneamente.
Un dispositivo particolarmente efficace nella protezione contro le sovracorrenti è il fusibile.
2. Protezione contro le sovracorrenti mediante fusibili
I fusibili non godono di grandi simpatie tra gli addetti ai lavori anche se possiedono, accanto a pochi difetti,
numerosi pregi. Negli impianti di bassa tensione il campo di impiego è estremamente vasto. Possono
essere impiegati come dispositivi di protezione contro le sovracorrenti oppure, associati ad altri dispositivi,
come sistemi di protezione per particolari necessità come, ad esempio, nelle apparecchiature di marcia e
arresto dei motori. Rispetto alla protezione mediante interruttori automatici presentano alcuni aspetti
negativi:
- non assicurano, in caso di intervento, l'interruzione contemporanea di tutte le fasi del circuito creando, nei sistemi
trifase, una situazione di funzionamento bifase che potrebbe danneggiare i motori (anche se esistono relè termici
differenziali che risolvono egregiamente il problema);
- sono richiesti tempi di ripristino del circuito relativamente elevati.
Tutto sommato, come vedremo, gli aspetti negativi sono di gran lunga inferiori rispetto a quelli positivi.
1
2.1 Protezione dal sovraccarico
I criteri generali da seguire nel coordinamento tra dispositivo di protezione contro il sovraccarico e
conduttura sono indicati dalla norma CEI 64-8 che richiede siano verificate le seguenti condizioni (fig.2.1):
I b ? I n ? I Z (2.1)
I f ? 1,45 I Z (2.2)
Dove:
- Ib, corrente di impiego del circuito;
- Iz, portata del cavo ;
- If, corrente convenzionale di sicuro intervento del dispositivo di protezione;
- In, corrente nominale del dispositivo di protezione.
Fig. 2.1 – Condizione di massimo sfruttamento del cavo secondo la norma CEI 64-8
Secondo le norme CEI 32-1 la If dei fusibili, corrente convenzionale di sicuro intervento della protezione, è
legata alla corrente nominale per mezzo di un coefficiente k che vale:
k?
If
In
? 1,6
Da cui:
I f ? 1,6 I n
2
Considerando le due condizioni stabilite dalla 64-8 sostituendo If nella 2.2 si ottiene:
1,6 I n ? 1,45 I Z ; I n ?
1,45
I Z ; I n ? 0,9 I Z
1,6
La protezione da sovraccarico mediante fusibile è soddisfatta scegliendo un fusibile avente corrente
nominale non superiore a 0,9 volte la portata Iz della conduttura e non inferiore alla corrente di impiego Ib:
I b ? I n ? 0,9 I Z
Come si può notare l’uso dei fusibili comporta una sotto utilizzazione del cavo rispetto agli interruttori
automatici per i quali il rapporto tra la corrente convenzionale di sicuro intervento If e la corrente nominale In
vale rispettivamente 1,45 per quelli ad uso domestico e 1,3 per quelli ad uso industriale. Il cavo protetto
mediante fusibili, infatti, non può essere impiegato alla sua massima portata bensì ad una portata ridotta del
10%, dovendo essere la corrente di impiego Ib non superiore alla corrente nominale del fusibile onde
evitarne la fusione indesiderata (fig.2.2). Da non dimenticare però che le norme prescrivono per i fusibili
prove alla corrente If a freddo, cioè a temperatura ambiente, diversamente dagli interruttori automatici che
sono provati a caldo, cioè dopo una verifica alla corrente nominale. Se i fusibili fossero provati con le stesse
modalità il rapporto k tra corrente convenzionale di fusione e corrente nominale sarebbe addirittura minore.
Fig. 2.2 – Esempio di confronto tra interruttori automatici e fusibili nella protezione contro il sovraccarico
2.2 Protezione dal cortocircuito
Se qualche svantaggio rispetto agli interruttori automatici si evidenzia nella protezione contro i sovraccarichi
nessun dubbio può sorgere per quanto riguarda l’impiego dei fusibili nella protezione contro i cortocircuiti. Il
fusibile possiede, infatti, sia un elevato potere di interruzione sia ottime caratteristiche di limitazione. Il
3
tempo di intervento estremamente rapido limita la corrente di cortocircuito a valori inferiori alla corrente di
cortocircuito presunta nel suo punto di installazione e l’energia specifica passante decresce rapidamente
all’aumentare della corrente di cortocircuito, essendo il fusibile un dispositivo intrinsecamente limitatore (fig.
2.3).
Fig. 2.3 – Il fusibile limita la corrente di cortocircuito a valori notevolmente inferiori a quella presunta nel suo
punto di installazione
Questa capacità limitatrice riduce notevolmente le sollecitazioni termiche ed elettrodinamiche cui sono
soggetti i componenti dell’impianto a valle, permettendone il dimensionamento per correnti di cortocircuito
inferiori a quelle teoriche. Queste particolari caratteristiche del fusibile sono ben valorizzate quando viene
impiegato nella costruzione dei quadri elettrici per i quali le norme CEI 17-13 ammettono l’esenzione dalla
verifica alla tenuta al cortocircuito se hanno correnti nominali ammissibili di breve durata o correnti nominali
di cortocircuito condizionate non superiori a 10 kA o se sono protetti da dispositivi limitatori di corrente
aventi una corrente di picco limitata non eccedente a 15 kA in corrispondenza del loro potere nominale.
Analoghi vantaggi derivanti dalla limitazione dell’energia specifica passante si hanno nel dimensionamento
al cortocircuito dei cavi in bassa tensione. La norma CEI 64-8 stabilisce che nei confronti del cortocircuito la
sezione minima di una conduttura deve essere calcolata in base alla seguente formula:
S?
I 2t
(2.3)
K
dove:
2
I t è l’energia specifica lasciata passare dal dispositivo di protezione e K un coefficiente che dipende dal
materiale conduttore e dal materiale isolante. La tabella 2.1 fornisce, in funzione dell’I2t massimo stabilito
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dalla norma CEI 32-1 (tab. 2.2), alcuni esempi di sezioni minime di cavi in PVC (K=115) dimensionati al
cortocircuito.
Corrente di
impiego
Sezioni del cavo
dimensionate in portata
Fusibile
Sezioni del cavo
dimensionate al
cortocircuito
I b (mm 2 )
I Z (mm 2 )
S (mm 2 )
I n (A)
I 2 t MAX ( A 2 s ? 10 3 )
18
25
4
20
1,8
0,36
23
32
6
25
3,0
0,47
30
44
10
32
5,0
0,61
120
171
70
125
140
3,25
197
275
150
200
400
5,49
S?
I 2t
(mm 2 )
K
Tab. 2.1 – Esempi di sezioni minime di cavi in PVC dimensionati al cortocircuito confrontati con sezioni di
cavi dimensionati in portata
Le sezioni così ottenute dimostrano che in nessun caso, qualunque sia la corrente teorica di cortocircuito,
per soddisfare il dimensionamento al cortocircuito del cavo è necessario aumentare la sezione del cavo
rispetto a quella nominale del circuito. Situazione che può presentarsi impiegando dispositivi di protezione
non limitatori quando si è in presenza di elevate correnti di cortocircuito presunte.
Corrente nominale In
per cartucce gG
I2t minimo
I2t massimo
(A)
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
(A2sx103)
0,3
0,5
1,0
1,8
3,0
5,0
9,0
16
27
46
86
140
250
400
760
1300
2250
3800
7840
13700
(A2sx103)
1,0
1,8
3,0
5,0
9,0
16
27
46
86
140
250
400
760
1300
2250
3800
7500
13600
25000
47000
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Tab. 2.2 – Valori dell’I2t di prearco a 0,01 s per cartucce gG secondo la norma CEI 32-1
Interessante si presenta a questo punto il confronto dei fusibili, di cui in tabella 2.2 sono riportati i valori
dell’I2t di prearco a 0,01 s per cartucce di tipo gG secondo la norma CEI 32-1, con gli interruttori automatici
limitatori dei quali si riportano nella tabella 2.3 i valori massimi di I2t stabiliti dalla norma CEI 23-3.
Potere nominale di cortocircuito
1
I2t max(A2s)
Tipo B-C
Nessun limite
specificato
Classi di energia limitata
2
3
I2t max(A2s)
I2t max(A2s)
Tipo B
Tipo C
Tipo B
Tipo C
31 000
37 000
15 000
18 000
In
kA
3
? 16 A
6
100 000
120 000
35 000
42 000
? 16 A
10
3
240 000
40 000
290 000
50 000
70 000
18 000
84 000
22 000
6
130 000
160 000
45 000
55 000
10
310 000
370 000
90 000
110 000
? 32 A
Tab. 2.3 – Valori massimi di I2t lasciato passare da interruttori con corrente nominale fino a 32 A.
La norma CEI 23-3 suddivide tali apparecchi per classi di limitazione (classe 1, classe 2 e classe 3) e indica
per ognuna di queste il massimo valore di energia specifica passante in condizioni di cortocircuito. Nella
figura 2.3 sono confrontate le sezioni minime di cavi in PVC calcolate al cortocircuito per alcuni casi,
introducendo nella 2.3 i valori di I2t massimi stabiliti dalle norme, quando i cavi sono protetti rispettivamente
da un fusibile o da un interruttore automatico conforme alle norme CEI 23-3 di tipo C con potere di
interruzione di 6kA (tab.2.3).
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Fig. 2.3 – Sezioni minime di cavi in PVC calcolate al cortocircuito in funzione dei valori di I2t massimi definiti
dalla norma CEI 32-1 per i fusibili e dalla norma CEI 23-3 per gli interruttori ad uso civile o similare.
Come si può notare, in tutti i casi presi in esame, la sezione minima calcolata nel caso del fusibile è
notevolmente inferiore a quella calcolata quando si impiega un interruttore automatico. Quando il fusibile
viene utilizzato per la sola protezione da cortocircuito occorre verificare il comportamento alla corrente di
cortocircuito minima per guasti in fondo alla linea che potrebbero non essere sufficienti a farlo intervenire in
tempi accettabili per il cavo (fig.2.4).
Fig. 2.4 – Quando il fusibile assicura la sola protezione da cortocircuito occorre verificare la corrente di
cortocircuito minima in fondo alla linea
Se il fusibile protegge anche contro i sovraccarichi è possibile non effettuare tale verifica in quanto si
assume che le condizioni di cui sopra siano automaticamente soddisfatte (fig. 2.5).
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Fig. 2.5 – Quando il fusibile assicura anche la protezione da sovraccarico il cavo è sempre protetto
3. Coordinamento con avviatori per motori asincroni
Uno degli impieghi più frequenti dei fusibili è quello della protezione dei motori asincroni trifase con un
apparecchiatura combinata fusibili aM e relè termico associato a contattore.
Il coordinamento è verificato quando:
-
il fusibile interviene per tutte le correnti superiori al potere di interruzione del contattore;
-
la corrente di scambio tra contattore e fusibile deve essere superiore alla corrente di spunto del
motore;
-
l’energia specifica passante deve essere sopportata da tutti i componenti installati a valle;
la caratteristica di sovraccarico del fusibile deve essere coordinata con il relè termico onde evitargli sollecitazioni
non accettabili.
4. Coordinamento con apparecchi di manovra e protezione
Per ottenere un economico ma altrettanto valido dispositivo di protezione che svolga gli stessi compiti di un
interruttore automatico è sufficiente associare un interruttore di manovra sezionatore a dei fusibili (unico
difetto rispetto agli interruttori automatici gli elevati tempi necessari al ripristino). Il coordinamento può
essere gestito solo in base alle indicazioni del costruttore assicurandosi che i fusibili proteggano l’interruttore
di manovra-sezionatore dalle sollecitazioni dovute all’energia specifica passante. In particolare occorre
verificare che:
8
-
il tempo di interruzione del fusibile in corrispondenza del valore di corrente di breve durata
dell’interruttore sia inferiore a quello sopportabile dall’interruttore stesso;
-
il valore di cresta della corrente limitata dal fusibile, nel momento in cui è massima la corrente di
cortocircuito presunta, sia minore del potere nominale di chiusura dell’interruttore.
5. Coordinamento con interruttori automatici
In alcuni casi in cui le correnti di cortocircuito presunte possono raggiungere valori molto elevati può essere
conveniente ricorrere alla combinazione fusibili interruttore automatico. Il fusibile funge da sostegno
interrompendo le correnti che superano determinati valori lasciando invece all’interruttore l’unico compito di
arrestare tutte le correnti inferiori. Questo permette di utilizzare interruttori automatici con poteri di
interruzione nominale inferiori alla corrente di cortocircuito massima. La combinazione deve essere
opportunamente coordinata seguendo le indicazioni del costruttore ed in particolare verificando che siano
soddisfatte le seguenti condizioni (fig. 5.1):
-
l’intervento dei due dispositivi deve essere selettivo per correnti inferiori alla corrente di scambio;
-
l’energia specifica lasciata passare prima dell’intervento del fusibile deve essere inferiore a quella
sopportabile dal cavo e dall’interruttore;
-
la curva di intervento del fusibile deve intercettare la curva di intervento dell’interruttore (corrente di
scambio) ad un valore di corrente inferiore al potere di interruzione nominale dell’interruttore;
-
la corrente di cresta limitata dal fusibile relativamente alla massima corrente di cortocircuito presunta
non deve essere superiore al potere nominale di chiusura dell’interruttore.
Fig. 5.1 – Coordinamento tra fusibili e interruttori automatici per la protezione contro il cortocircuito.
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6. Selettività
Secondo la norma CEI 32-12, la selettività fra fusibili di tipo gG è garantita quando il rapporto fra le correnti
nominali di due fusibili in serie è uguale a 1,6. Per raggiungere lo scopo è sufficiente saltare una grandezza
nella serie unificata tra un fusibile e quello che segue ed ottenere in modo estremamente semplice la
selettività nella distribuzione in bassa tensione.
7. Conclusioni
Il fusibile di bassa tensione permette una selettività semplice e sicura, limita ottimamente l’I2t , possiede
elevatissimi poteri di interruzione nei confronti della corrente di cortocircuito e soprattutto, nonostante le
elevate prestazioni e la grande affidabilità, costa poco. Tutto ciò dovrebbe bastare a sfatare tutte le leggende
metropolitane che sono sorte attorno al povero e umile fusibile e a permettergli di entrare a pieno titolo a far
parte degli impianti di pregio con la stessa dignità di tutti gli altri dispositivi che hanno fin qui goduto di ben
diversa fortuna.
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