Capitolo VIII (aggiornato al 05.07.04)

Capitolo 8 (Ultimo aggiornamento 05.07.04)
8.1 Introduzione
I sistemi elettrici di potenza comprendono oltre ai trasformatori,
generatori, motori e linee, anche altri componenti necessari al
funzionamento degli stessi in condizioni normali e in caso di guasto. I
principali sono:
INTERRUTTORI
CONTATTORI
SEZIONATORI
FUSIBILI
8.2 Interruttori
Gli interruttori sono dei componenti reversibili di manovra e di
protezione, che hanno la capacità di aprire e chiudere un circuito
allontanando o avvicinando due elettrodi. Esistono interruttori unipolari,
multipolari a seconda delle coppie di elettrodi che aprono e/o chiudono.
Essi possono essere azionati sia manualmente (figura 8.1a) che
automaticamente (figura 8.1b) da un dispositivo che interviene quando
sopraggiungono condizioni anomale di funzionamento; i simboli sono
riportati in figura 8.1:
Fig.8.1
8.2.1 Tecniche di interruzione
Le principali tecniche impiegate nell’interruzione della circolazione di
correnti in un circuito, richiedono l’allungamento dell’arco elettrico e/o il
raffreddamento del fluido dielettrico. Nel primo caso si allontana
l’elettrodo mobile da quello fisso, utilizzando meccanismi a scatto
azionati a molle, nel secondo caso si cerca di mescolare il fluido in
modo tale da favorire lo scambio termico con le pareti della camera di
interruzione. Una tecnica usata spesso è quella della soffiatura che può
essere assiale o trasversale (figura 8.2).
Fig.8.2
8.2.2 Tipologie di interruttori di potenza
La principale caratteristica cui deve soddisfare un interruttore, è
l’allontanamento più rapido possibile degli elettrodi in modo che, al
passaggio naturale per lo zero della corrente alternata, la d.d.p. di
picco tra i due elettrodi sia inferiore al campo elettrico capace di
riinnescare l’arco stesso. E’ per questa ragione che il mezzo dielettrico
interposto tra gli elettrodi, deve possedere la più alta rigidità dielettrica
possibile, compatibilmente con la temperatura e lo stato di ionizzazione
del volume circostante.
8.2.2.1 Interruttore in esafloruro di zolfo (SF 6 )
Questo tipo di interruttore si basa esclusivamente sulle seguenti
proprietà del gas (che costituisce il fluido dielettrico): modesta erosione
degli elettrodi, proprietà refrigeranti e una marcata attitudine alla
cattura degli elettroni liberi responsabili della conduzione nell’arco.
Fig.8.3
8.2.2. 2 Interruttori MT a volume d’olio ridotto (V.O.R.)
L’olio minerale è usato come fluido dielettrico e refrigerante.
Fig.8.4
8.2.2. 3 Interruttori MT nel vuoto
Nella camera di interruzione viene creato un vuoto dell’ordine di
10 3 Pa, in questo caso i portatori di carica sono forniti dagli elettrodi.
Fig.8.5
8.2.2. 4 Interruttori MT ad aria compressa
Il fluido dielettrico è costituito da aria secca a pressione elevata che
possiede rigidità dielettrica più elevata di quella dell’aria libera(vedi
figura 8.6).
Questo tipo di interruttori erano utilizzati esclusivamente all’aperto,
nelle sottostazioni, a causa dell’elevato rumore prodotto in fase di
apertura da parte dell’aria compressa.
Fig.8.6
8.2.2. 5 Interruttori BT in aria libera
La camera di interruzione non è a tenuta, quindi vi è aria libera e
viene eseguita la soffiatura trasversale dell’arco per via magnetica.
Fig.8.7
8.2.2. 6 Relè
Un relè è un dispositivo che permette di azionare in modo
automatico interruttori e/o contattori. Esso è sensibile ad una
grandezza detta di comando, che può essere una corrente o una
tensione o una temperatura; quando la grandezza supera il valore di
soglia, il relè modifica il suo stato determinando un’azione meccanica.
8.2.2. 6.1 Relè elettromagnetico
Un esempio è costituito da una bobina posta attorno ad un nucleo
che fa parte del circuito elettromagnetico comprendente anche
un’ancorina mobile trattenuta da una molla in modo da formare un
traferro. L’ancorina, quando la bobina è percorsa da corrente, è attratta
dal nucleo, ma scatta solo quando I  I s , dove I s è la corrente di soglia
(figura 8.8).
Fig.8.8
8.2.2. 6.2 Relè termico
Esso sfrutta la dilatazione termica di un elemento percorso da
corrente, che per effetto Joule viene riscaldato. Si considerino costanti
R ed I, la temperatura  dell’elemento cresce nel tempo con una legge
esponenziale del tipo:
t   a   M 1  e t/T t 
Raggiunta la temperatura di soglia  s si ha lo scatto del relè. Dalla
figura 8.9 si nota come l’intervento sia tanto più rapido quanto più
intensa è la corrente I.
Fig.8.9
8.2.2.7 Interruttori automatici: interruttore magnetotermico
Utilizzando sia un relè magnetico (figura 8. 8) di massima corrente
che uno termico, si ottiene un interruttore magnetotermico con una
caratteristica di intervento del tipo riportato in figura 8. 11.
Fig.8.10
Fig.8.11
Gli interruttori magnetotermici sono caratterizzati da:
un potere di interrruzione, espresso in kA (massima corrente che
l’interruttore è in grado di aprire)
– una corrente nominale I n
– una tensione nominale U n
– la soglia di intervento del relè termico imposta tra 1. 2  1. 8I n
– la soglia di intervento del relè magnetico che può variare da
4  10I n , ma comunque sempre inferiore alla minima corrente di corto
circuito, in cui è posto l’interruttore (cortocircuito distante o lontano).
La I b è la corrente di impiego, cioè quella che attraversa
l’interruttore e che al più può coincidere con I n . Un interruttore
magnetotermico, ovviamente, permette di variare il valore della taratura
termica e magnetica in funzione della natura del carico e delle
condizioni di impiego.
8.3 Sezionatori
Il sezionatore è un dispositivo reversibile di manovra, idoneo ad
eseguire l’apertura in assenza di corrente e la chiusura in assenza di
differenza di potenziale tra gli elettrodi.
Fig.8.12
8.3.1 Tipologie di sezionatori
In genere un sezionatore in MT utilizza lame a coltello che si
muovono strettamente serrate in posizione di chiusura mediante delle
molle.
Fig.8.13
8.3.2 Sezionatori di terra
E’ utilizzato per interrompere o stabilire la continuità tra una parte di
un impianto elettrico e l’impianto di terra (vedi figura 8.14). La lama di
terra del sezionatore è una precauzione imposta dalle norme di
sicurezza.
Fig.8.14
8. 4 Contattori
Il contattore è un dispositivo di manovra atto ad eseguire l’apertura o
la chiusura a carico, con correnti e tensioni non maggiori di quelle
nominali. Sono impiegati soprattutto in bassa tensione e a parità di
valori nominali sono molto più economici e compatti degli interruttori.
Se l’operazione avviene a distanza, il contattore è detto teleruttore. In
figura 8.15 è riportato il suo simbolo.
Fig.8.15
8.5 Fusibili
Fig.8.16
I fusibili sono dispositivi non reveersibili per la protezione dalle
sovracorrenti e/o dal corto-circuito. Essi sono costituiti da:
- elementi conduttori con temperatura di fusione dipendente dalla
portata
- custodia esterna
- un riempitivo spegni arco.
In figura 8.16 è riportato il suo simbolo grafico.
La caratteristica curva di intervento (tempo-intensità) di un fusibile è
a tempo inverso.
Tipi di fusibile
Fig.8.17
I più piccoli dispongono di contenitori in vetro che consentono il
controllo visivo della loro integrità (figura 8.17); quelli adatti alle correnti
più elevate hanno contenitori di ceramica riempiti con polvere di quarzo
per facilitare l’estinzione dell’arco.
La quantità di calore necessaria per portare la temperatura del
fusibile dal valore iniziale  0 a quello finale di fusione  f è data da:
W  mc f   0 
dove m è la massa e c il calore specifico.
L’energia prodotta per effetto Joule è pari a:
W  R  t i 2 dt
0
per cui eguagliando le due espressioni, si ha:
 0t i 2 dt  mc  f   0 
R
Per arrivare alla fusione del fusibile è necessario fornire oltre
all’energia per arrivare alla temperatura  f , anche quella per il
cambiamento di stato da solido a liquido e per l’evaporazione di parte
dell’elemento del fusibile.
Si chiamano "g" i fusibili a pieno campo, cioè quelli che superata la
corrente nominale, intervengono ad un tempo "t i " .
Esistono poi dei fusibili (tipo "a"), quali quelli posti a protezione ad
esempio dei motori, che intervengono volutamente per un campo di
interruzione ridotto, per evitare fusioni intempestive durante
l’avviamento del motore (curva "a" di figura 8.18), in questo caso la
corrente di intervento è pari a :
k r I n con k r  1
esempio
Se k r  2 e I n  50A, il fusibile non interviene per I  50 A, ma
interrompe solo correnti da 100 A nello stesso tempo "t i " del caso
precedente.
Fig.8.18: confronto tra le caratteristiche di fusibili tipo "g" e "a".