Guida all’uso dei fusibili in bassa tensione (seconda parte)
Guida all’uso dei fusibili in bassa tensione
- seconda parte -
di Gianluigi Saveri
Pubblicato il: 26/04/2006
Aggiornato al: 26/04/2006
Nella protezione contro il sovraccarico i criteri generali da seguire nel coordinamento tra
dispositivo di protezione e conduttura sono forniti dalla norma CEI 64-8 che richiede il rispetto di
alcune condizioni
1. Protezione dei conduttori
Nella protezione contro il sovraccarico i criteri generali da seguire nel coordinamento tra dispositivo di
protezione e conduttura sono forniti dalla norma CEI 64-8 che richiede il rispetto delle seguenti condizioni:
Ib ≤ In ≤ I z
(1.1)
I f ≤ 1,45 I z
(1.2)
Dove:
•
•
•
•
Ib,
Iz,
If,
In,
corrente di impiego del circuito;
portata del cavo ;
corrente convenzionale di sicuro intervento;
corrente nominale del dispositivo di protezione.
Se si utilizzano fusibili di tipo gG, rispettata la prima condizione, è possibile evitare la verifica di protezione
da cortocircuito perché si considerano sempre adeguati il potere di interruzione e le caratteristiche di
limitazione dell’energia specifica passante. Il discorso cambia per quanto riguarda il rispetto della seconda
condizione relativa alla protezione da sovraccarico perché i fusibili presentano una corrente convenzionale di
sicuro intervento considerevolmente maggiore di 1,45In.
Secondo le norme CEI 32-1 (tab. 1), ad esempio, la If di un fusibile gG con corrente nominale maggiore di
16 A, 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
Considerando le due condizioni stabilite dalla 64-8 sostituendo If nella 1.2 si ottiene:
1,6 I n ≤ 1,45 I z ;
In ≤
1,45
Iz ;
1,6
I n ≤ 0,9 I z
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:
1
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Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono
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I b ≤ I n ≤ 0,9 × I z
Come si può notare, non potendo impiegare il cavo alla sua massima portata, l’uso dei fusibili comporta una
sotto utilizzazione del rame 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 1,25 per quelli ad uso industriale.
Se, rispetto all’uso dell’interruttore automatico, qualche svantaggio nell’impiego del fusibile lo si evidenzia
nella protezione dal sovraccarico, le caratteristiche del fusibile sono invece ben valorizzate nella protezione
contro i cortocircuiti. Il fusibile possiede, infatti, sia un elevato potere di interruzione sia ottime caratteristiche
di limitazione che consentono di riduce notevolmente le sollecitazioni termiche ed elettrodinamiche cui è
soggetto l’impianto a valle, permettendo quindi il dimensionamento dei componenti per correnti di
cortocircuito inferiori a quelle teoriche. 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:
I 2t
S=
K
(1.3)
dove I2t è l’energia specifica lasciata passare dal dispositivo di protezione e K un coefficiente che dipende
dal materiale conduttore e dal materiale isolante.
Alcuni esempi di sezioni minime di cavi in PVC (K=115) dimensionati in portata e al cortocircuito in funzione
dell’I2t massimo stabilito dalla norma CEI 32-1 sono indicati nella seguente tabella.
Tab. 4 - Esempi di sezioni minime di cavi in PVC dimensionati al cortocircuito confrontati con sezioni di cavi
dimensionati in portata
Corrente di
impiego
Sezioni del cavo
dimensionate in portata
Fusibile
I b ( A)
I z ( A)
S ( mm 2 )
I n ( A)
I 2 t max ( A 2 s × 10 3 )
18
23
30
120
197
25
32
44
171
275
4
6
10
70
150
20
25
32
125
200
1,8
3,0
5,0
140
400
Sezioni del cavo
dimensionate al
cortocircuito
S=
I 2t
(mm 2 )
K
0,36
0,47
0,61
3,25
5,49
Le sezioni che si ottengono evidenziano che qualunque sia la corrente teorica di cortocircuito non è mai
necessario, per soddisfare il dimensionamento al cortocircuito, aumentarne la sezione rispetto a quella già
calcolata in funzione della corrente di impiego del circuito. Questo potrebbe non essere possibile in alcuni
casi impiegando dispositivi di protezione non limitatori in presenza di elevate correnti di cortocircuito
presunte.
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2. Protezione dei motori
I fusibili comunemente usati per la protezione dei motori e degli avviatori (contattore e relè di sovraccarico)
sono il tipo gG per usi generali o, più spesso, onde evitare interventi inopportuni durante la fase di
avviamento del motore, il tipo aM (fig.12).
Fig. 12 - Esempi di caratteristica di intervento di fusibili gG e aM - a) - fusibili gG - b) - fusibili aM
Il tipo aM non deve intervenire per correnti inferiori a 4 In e deve essere in grado di sopportare correnti fino a
8 In per almeno 0,5 s e correnti pari a 10 In per almeno 0,2 s (tab. 5). Non proteggono contro le sovracorrenti
inferiori a 6,3 In e per questo devono essere sempre essere utilizzati in combinazione con i relè termici.
Tab. 5 – Porte per cartucce tipo aM secondo Norma CEI 32-4
tfunzionamento
tprearco
4In
---
6,3In
60s
8In
---
10In
---
12,5In
0,5s
19In
0,10s
60s
---
0,5s
0,2s
---
---
I fusibili gG per usi generali devono essere scelti con correnti nominali in grado di sostenere la corrente di
spunto del motore (la corrente nominale del fusibile può quindi essere scelta più elevata rispetto alla
corrente nominale del motore) che normalmente può variare, a seconda del metodo e della gravosità
dell’avviamento utilizzato, da 5 a 8 volte la corrente nominale per gli avviamenti diretti e da 3 a 4 volte la
corrente nominale con un avviamento stella/triangolo. In generale il coordinamento tra fusibile e avviatore
(fig. 13) dovrà assicurare un’adeguata protezione contro la corrente di cortocircuito (per evitare il
danneggiamento del contattore e degli altri componenti) e la selettività di intervento tra la protezione di
sovraccarico dell’avviatore e il fusibile (per impedire l'apertura indesiderata del circuito di alimentazione del
motore). Utilizzando fusibili di tipo aM, oltre quanto indicato per i fusibili di tipo gG, occorre verificare anche
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che la caratteristica di sovraccarico del fusibile sia situata al di sopra della caratteristica di intervento del relè
di sovraccarico.
La Norma CEI 17-50 fornisce
indicazioni su come effettuare le
prove per il coordinamento tra il
dispositivo di protezione contro
il cortocircuito e l’avviatore.
Il dispositivo di protezione
contro il cortocircuito non deve
intervenire per correnti di prova
fino a 0,75 Ic (valore di corrente,
corrispondente alla corrente di
intersezione Ic, individuata nel
punto di intersezione tra la
caratteristica di intervento del
fusibile
e
del
relè
di
sovraccarico)
mentre
deve
Fig. 13 – Esempio di coordinamento relè termico e fusibile
intervenire il relè di sovraccarico
per comandare l’apertura dell’avviatore prima che le apparecchiature possano subire danni. Una successiva
prova a 1,25 Ic deve invece provocare l’intervento del dispositivo di protezione contro il cortocircuito prima
dell’avviatore.
In definitiva, per assicurare una
corretta
protezione
delle
apparecchiature
implicate nel
coordinamento (Fig. 14) si deve
verificare che:
•
che il fusibile sia installato
a monte dell’avviatore e
che possieda un potere
d’interruzione
non
inferiore alla corrente
presunta di cortocircuito;
•
che la curva di intervento
del fusibile sia posizionata
a sinistra della curva di
danneggiamento termico
del relè termico;
•
che
il
potere
di
interruzione del contattore
sia maggiore del valore di
corrente individuato nel
punto di intersezione tra
Fig. 14 - Coordinamento tra fusibile e avviatore
la
caratteristica
di
intervento del fusibile e
quella dell’avviatore corrispondente alla corrente di intersezione Ic;
•
che il fusibile non intervenga prima del relè termico per le eventuali correnti di sovraccarico del
motore e che sia in grado di tollerare più volte valori di correnti di spunto non superiori 0,75Ic;
•
che l' energia specifica lasciata passare quando si manifesta un cortocircuito non superi i valori che
possono sopportare l’avviatore/contattore e i componenti del circuito;
•
che la corrente di picco limitata non superi il valore massimo sopportabile dall’avviatore/contattore e
dai componenti del circuito;
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Queste verifiche potrebbero però non essere ancora sufficienti a garantire un adeguato coordinamento al
quale si può invece pervenire dopo opportune prove messe in atto dal costruttore.
In pratica, nei normali avviamenti, le correnti di spunto dopo 4s non superano 5 volte la corrente nominale e
quindi la corrente di intersezione può essere fissata in circa 6,5In mentre negli avviamenti più gravosi, dove
si possono manifestare dopo 4s correnti di spunto di circa 7,5 la corrente nominale, la corrente di
intersezione può essere elevata a 10In (fig. 15).
Fig. 15 – Esempio di coordinamento fusibile/relè termico per la protezione di un
motore asincrono trifase
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3. Protezione dei semiconduttori
Un altro tipo di fusibili di uso frequente è il tipo gR
utilizzato per la protezione dei semiconduttori. Si
distinguono dagli altri perché per questo tipo sono stati
presi dei provvedimenti atti a ridurre i tempi di prearco e
conseguentemente a limitare la corrente di picco Ip e
l’energia specifica I2t passante. In figura 16 si possono
vedere confrontate le caratteristiche tempo-corrente e le
caratteristiche di limitazione di un fusibile gG e gR.
Per correnti dell’ordine delle 1,5-2In i tempi di intervento
delle due categorie sono pressoché identici mentre con
l’aumentare della corrente il tempo di intervento del gR
diminuisce drasticamente. A 5-6In il fusibile gG interviene
in tempi nell’ordine dei secondi mentre il tipo gR in circa un
centesimo di secondo.
Fig. 16 - Confronto fra le caratteristiche di
intervento di fusibili gG e gR
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4. Selettività
I dispositivi di protezione contro le sovracorrenti collegati fra loro in cascata devono, per quanto possibile,
garantire la selettività di intervento. Due o più dispostivi sono selettivi quando, al manifestarsi di una
sovracorrente, interviene soltanto il dispositivo installato a protezione del circuito in cui ha sede il guasto e
non gli interruttori installati a monte. In altre parole solo il circuito interessato dalla sovracorrente deve essere
interrotto mentre gli altri devono continuare ad essere alimentati. La selettività può essere parziale, se è
garantita fino ad un determinato valore di sovracorrente, oppure può essere totale se è verificata per tutti i
valori di sovracorrente fino al limite del potere di interruzione del dispositivo posto a monte. La selettività
totale presuppone che le caratteristiche di intervento dei dispositivi interessati, con scala omogenea e
confrontate su un unico diagramma, non si incrocino o comunque non entrino in contatto in nessun punto del
diagramma.
Il
coordinamento
selettivo tra fusibili
può essere condotto
confrontando
le
caratteristiche
tempo-corrente, per
tempi
di
funzionamento
superiori o uguali a
0,1 s, e i valori di I2t
di prearco e di
funzionamento, per
tempi
di
funzionamento
inferiori a 0,1 s. Con
riferimento alla figura
17, per tempi di
funzionamento
superiori o uguali a
0,1 s, il fusibile F2 è
selettivo rispetto al
fusibile F3
se il
Fig.17 – Coordinamento della selettività tra fusibili
tempo massimo di
funzionamento o la caratteristica di intervento del fusibile F3 sono inferiori, per ciascun valore della corrente,
al tempo minimo di pre-arco del fusibile F2 . Per tempi di funzionamento inferiori a 0,1 s, il valore massimo di
I2t di funzionamento del fusibile F3 deve essere inferiore al minimo valore di I2t di prearco del fusibile F2.
La selettività totale tra i fusibili F2 e F3 può essere ottenuta se le due condizioni, verificate esaminando le
caratteristiche tempo-corrente e i valori di I2t forniti dal costruttore, sono ambedue soddisfatte. Secondo la
norma IEC 60269-2-1, per fusibili dello stesso tipo, ad esempio gG, la selettività è garantita quando il
rapporto fra le correnti nominali di due fusibili in serie è almeno uguale a 1,6. Lo scopo può essere
facilmente raggiunto saltando una grandezza nella serie unificata tra un fusibile e quello che segue.
Il coordinamento selettivo fra interruttori automatici e fusibili può essere effettuato confrontando le curve
caratteristiche di intervento dei due dispositivi oppure le curve dell’iquadratoti. Se i fusibili sono installati a
valle dell’interruttore la selettività è garantita quando la caratteristica del fusibile per il tempo di intervento di
0,1 s è inferiore alla corrente minima di intervento magnetico e se non incrocia la caratteristica di intervento
termico dell’interruttore. Quando il fusibile è a monte dell’interruttore si ottiene generalmente una selettività
di tipo parziale. E’ possibile effettuare il coordinamento in base all’energia specifica passate verificando che
l’energia minima di prearco del fusibile sia maggiore del più grande valore di I2t lasciato passare
dall’interruttore.
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5. Protezione contro i contatti indiretti
Il fusibile può essere utilmente impiegato anche per la
protezione contro il contatti elettrici mediante interruzione
automatica dell'alimentazione. Il coordinamento per la
sicurezza delle persone prevede che in caso di guasto
(cedimento dell’isolamento) tra una parte attiva e una
parte conduttrice accessibile , nel circuito o
nell'apparecchiatura, una eventuale tensione di contatto
superiore a 50 V in corrente alternata (25 V in caso di
ambienti a maggior rischio elettrico) debba essere
interrotta in tempi sufficientemente brevi da non provocare
effetti dannosi per le persone.
Per
determinare
le
condizioni
di
interruzione
dell’alimentazione con i fusibili si deve conoscere la
caratteristica tempo-corrente (fig. 18) dalla quale si ricava,
in relazione alle caratteristiche dell’impianto di
distribuzione e dell’ambiente di installazione, la corrente
Ia che provoca il funzionamento della cartuccia nei tempi
stabiliti.
In relazione al tipo di distribuzione in bassa tensione TN,
TT o IT, con riferimento alla fig. 19, le condizioni da
rispettare sono le seguenti.
•
Sistema TT - Un guasto tra una parte attiva e una
massa determina la circolazione verso terra di una
corrente di guasto che coinvolge sia l’impianto di
terra dell’utente sia quello dell’ente distributore. In
un sistema TT, 230/400 V la protezione dai
contatti indiretti si realizza interrompendo
automaticamente l’alimentazione in un tempo non
superiore a 5 s e verificando la seguente
condizione:
RA ≤
Fig. 18 – Esempio di caratteristica di intervento di un
fusibile per la determinazione della corrente Ia che
provoca il funzionamento della cartuccia nei tempi
stabiliti dalle norme a garantire la protezione contro i
contatti indiretti mediante interruzione automatica
dell’alimentazione
50
Ia
dove :
RA è la resistenza totale di terra;
Ia è la corrente in ampere che determina l’intervento del fusibile in un tempo massimo di 5s
(individuabile nell’esempio di fig. 18 in corrispondenza di 4In)
•
Sistema TN – Sono sistemi alimentati in M.T. e richiedono quindi un propria cabina di
trasformazione. L’impianto di terra è unico sia per le masse sia per il neutro e la protezione contro i
contatti indiretti deve tener conto sia dei guasti che si manifestano in B.T sia in M.T. Per quanto
riguarda la B.T., in un sistema TN, 230/400 V, occorre riferirsi alla Tab. 41A (IEC 60364-4-41) dalla
quale per U0=230 V è possibile determinare il tempo necessario per l'interruzione automatica che
deve essere in generale, per gli ambienti ordinari, inferiore a 0,4 s (7In nell’esempio di fig. 18 - tempi
fino a 5s sono ammessi, in alcuni casi, a particolari condizioni). Per garantire la protezione con
fusibili è richiesto che sia soddisfatta in ogni punto del circuito la seguente condizione:
ZS ≤
U0
Ia
dove:
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Zs è l'impedenza totale in ohm dell’anello di guasto comprendente la sorgente, il conduttore di fase
e
quello
di
protezione
tra
il
punto
di
guasto
e
la
sorgente;
Ia è la corrente che provoca il funzionamento del fusibile nel tempo riportato nella Tab. 41A, in
funzione della tensione nominale U0 e comunque, a particolari condizioni, in un tempo
convenzionale
non
superiore
a
5
s;
U0 è la tensione nominale verso terra.
•
Sistema IT – I sistemi IT, 230/400 V, sono a neutro isolato o con connessione a terra tramite
impedenza e sono caratterizzati dal fatto che non ammettono, in caso di guasto a terra, l’interruzione
del servizio. In questi sistemi un primo guasto a terra non da luogo a valori di tensione pericolosi
mentre un secondo guasto deve essere interrotto nei tempi stabiliti. Possono essere con neutro
distribuito o non distribuito.
In un sistema IT con neutro distribuito ci si riferisce alla Tab. 41B (IEC 60364-4-41 dalla quale si
evince che per U0 = 230 V il tempo massimo di interruzione automatica non deve essere superiore
a 0,8 s. Dalla fig. 18 la corrente Ia per un tempo di 0,8s risulta essere pari a 6In. L'impedenza
dell’anello di guasto che soddisfa le condizioni di sicurezza può essere ricavata con la seguente
formula:
ZS ≤
U0
2I a
In un sistema IT con neutro non distribuito il calcolo per il secondo guasto, sempre con riferimento
alla Tab. 41B (IEC 60364-4-41) per U0 = 230 V, il tempo di interruzione automatica non deve
superare 0,4 s. La corrente Ia che determina l’intervento entro questo tempo massimo nell’esempio
di Fig. 18 corrisponde a 7In. L'impedenza dell’anello di guasto che soddisfa le condizioni di
sicurezza può essere ottenuta con la seguente formula:
ZS ≤
3U 0
2I a
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