Dossier tecnico n° 5

Dossier tecnico n° 5

Interruzione in BT

per limitazione della corrente

1. Generalità 2

Definizione 2

Perché limitare? 2

Come limitare? 3

Caratteristiche di ua necessarie per limitare la corrente 3 Caso particolare degli interruttori

modulari 4

2. Metodi per ottenere

la limitazione 5

Resistenza a cambiamento di stato 5 Resistenza a coefficiente

di temperatura positivo 5

Resistenza variabile costituita

dall'arco 5

3. Propulsori di contatti

e sganciatori ultra rapidi 6

Propulsori di contatti 6

Sganciatori ultra rapidi 6

4. Conclusioni 8

Redatto a cura del

Servizio Tecnico Commerciale Dipartimento di Bassa Tensione

Questo dossier tecnico è una semplice introduzione ai principi della limitazione della corrente, tecnica sviluppata in corrente continua dal 1930, e in corrente alternata negli anni '50.

L'obiettivo di questo dossier è quello di facilitare la comprensione dei vantaggi conseguiti con l'impiego di interruttori di tipo limitatore in un impianto elettrico.

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per limitazione della corrente

fig. 1: rappresentazione della corrente di corto-circuito presunta e limitata.

1. Generalità

Definizione

Un dispositivo è limitatore quando la corrente di corto-circuito che lascia passare ha una ampiezza nettamente inferiore alla corrente presunta (rif. fig. 1).

Nel caso di un interruttore limitatore, si ha simultaneamente una riduzione di ampiezza e una riduzione del tempo T di passaggio della corrente rispetto al tempo di passaggio della corrente di corto-circuito in un interruttore non limitatore.

Perché limitare ?

■ Per realizzare interruttori più economici, soprattutto per le correnti nominali più basse. L'apparecchio limitatore è attraversato dalla corrente limitata, molto inferiore alla corrente presunta, ed è chiamato ad interrompere soltanto tale corrente limitata.

■ Per minimizzare gli effetti della corrente di guasto negli impianti elettrici.

corrente limitata

corrente presunta

0 T t

i

(1) Tutte le grandezze sono espresse nelle unità di misura del sistema MKSA Quali sono questi effetti ?

■ Effetti elettromagnetici Alla distanza d da un conduttore percorso dalla corrente I si ha nell'aria una induzione magnetica B pari a

B=2⋅10⁻⁷⋅I d (1)

Esempio: con I = 50 kA e d = 10 cm si ha B = 0,1 T.

Conseguenze possibili: perturbazioni nei dispositivi elettronici situati in prossimità dei conduttori percorsi da una corrente di corto-circuito.

■ Effetti meccanici

❑ Se alla distanza d da un conduttore percorso da una corrente I si trova un altro conduttore parallelo al primo, della stessa lunghezza L e percorso dalla corrente I', questo conduttore è sottoposto ad una forza F (di attrazione se le correnti sono equiverse,

di repulsione se controverse) che vale, per unità di lunghezza:

F L=B⋅I'

Nel caso in cui i due conduttori siano percorsi dalla stessa corrente I la formula diventa

F

L=2⋅10⁻⁷⋅I² d

Esempio: con I = 50 kA e d = 10 cm si ha una forza di 5000 N per ogni metro di conduttore.

Conseguenze possibili: deformazione o rottura di pezzi.

❑ In tutte le apparecchiature i contatti mobili, mantenuti pressati sui contatti fissi da molle, tendono ad aprirsi per effetto di una forza elettrodinamica di repulsione. Questa forza deve essere talvolta equilibrata da sistemi di "compensazione".

Per I = 50 kA questa forza può raggiungere i 1000 N.

Conseguenze possibili: innesco di un arco tra i contatti delle apparecchiature di comando e conseguente loro deterioramento.

■ Effetti termici

In presenza di un corto-circuito si ha un riscaldamento adiabatico ∆θ dei conduttori di sezione S pari a

∆θ =K_T S²⋅ i²⋅dt

0

∫

dove il termine

i²⋅dt

0

∫

energia termica specifica (espressa in A²s ) e KT è un coefficiente che dipende dalla natura dei conduttori (circa 6^•10^-3°K mm⁴/A²s per il rame).

Esempio: un filo di rame della sezione di 1,5 mm² aumenta la sua temperatura di 110°K quando è percorso per un semiperiodo da una corrente di 2000 A a 50 Hz.

Conseguenze possibili: deformazione dei materiali e danneggiamento degli isolanti che possono creare rischio di incendio e di elettrocuzione.

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trascurabile) la rete è alimentata da una forza elettromotrice e per la quale si ha:

e=R⋅i+L⋅dt di dove:

R = resistenza equivalente L = induttanza equivalente

per l'insieme sorgente + linea + guasto.

Essendo nullo il valore di corrente nell'istante iniziale la corrente si stabilisce con una derivata iniziale pari a

di dt

 

_t=0=e(0) L

Questa derivata è massima quando il corto-circuito avviene nell'istante in cui è massima la tensione della rete;

ciò corrisponde, per fattori di potenza inferiori a 0,25, all'instaurarsi della corrente presunta praticamente simmetrica.

Esempio: con una sorgente trifase a 50 Hz, 400 V, di potenza apparente S=3200 kVA e di corrente di corto- circuito massima di 100 kA (la cui cresta può quindi oltrepassare i 200 kA in regime asimmetrico), la derivata iniziale massima della corrente è di 44 kA/ms.

Al fine di evitare che si stabiliscano tali correnti e per non doverne sopportare gli effetti, si deve interporre nel circuito un dispositivo di protezione limitatore A che, al manifestarsi di un corto-circuito, inserisca molto rapidamente una caduta di tensione ua che si opponga al crescere della corrente.

fig. 2: schema di principio di un circuito in presenza di guasto

Caratteristiche di u

necessarie per limitare la corrente

Lo schema equivalente monofase fornisce per un corto-circuito franco la seguente relazione

e=R⋅i+L⋅di dt+u_a

In circuiti con fattori di potenza inferiori a 0,25 il termine

L⋅di

dt è molto maggiore del termine R^•i, che può quindi essere trascurato ottenendo

e=L⋅di dt+u_a

Nell'istante in cui la corrente limitata raggiunge il suo valore di cresta, cioè quando

di dt=0

la tensione d'arco è pari alla forza elettromotrice.

Questo permette di concludere che il valore massimo della corrente limitata è raggiunto quando la tensione d'arco uguaglia la e della sorgente (rif. fig. 3).

Una prima conseguenza è che la limitazione della corrente è tanto più facile da ottenere quanto più bassa è la tensione della rete.

Inoltre, con riferimento alla figura 3, in cui P è il punto di intersezione delle curve della tensione u_a e della tensione della sorgente, si osserva che,

per ottenere una limitazione efficace è necessario che l'istante

dell'intersezione P sia molto prima del massimo della corrente di corto- circuito presunta (quindi < 5 ms a 50 Hz) da cui è evidente l'importanza di ottenere il più rapidamente possibile elevati valori di u_a.

Infine, occorre che la tensione massima U_M introdotta dalla tensione d'arco sia superiore alla tensione massima E_M della sorgente.

e ^a

Z guasto

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fig. 3: curve u = f(t) e i = f(t) dello sviluppo della tensione d'arco e della sua conseguenza:

la diminuzione della corrente di corto-circuito.

i presunta

10 ms t I_I

i limitata

5 ms i

0 T

u ristabilita P

e u a

t s E M

U M u

Riassumendo le tre condizioni da rispettare per una limitazione efficace sono:

■ intervenire presto => t_s minimo, ma si ha un limite inferiore imposto dalla soglia di intervento del dispositivo (per esempio la regolazione massima degli sganciatori istantanei per gli interruttori o l'energia termica specifica di non fusione per i fusibili);

■ agire velocemente => sviluppo rapido della tensione ua, ottenuto per esempio negli interruttori con una forte accelerazione dei contatti;

■ creare alte U_M => UM>EM, ottenuto per esempio allungando, frazionando e raffreddando l'arco nel dispositivo di interruzione.

Di queste tre condizioni, le prime due,

"intervenire presto" e "agire

velocemente", sono le più importanti.

Per quanto riguarda la terza condizione, "creare alte U_M", non è necessario che UM superi di molto EM. Anzi, per una rete trifase a 400 V (quindi una tensione di fase di cresta pari a 325 V) è sufficiente una tensione UM di 400 V.

Nota: t_s è il tempo di apparizione della tensione ua (per es. separazione dei contatti o vaporizzazione di un elemento fusibile).

Caso particolare degli interruttori modulari

In questo caso i fattori di potenza in corto-circuito sono in genere superiori a 0,5. Il termine R•i non può più essere trascurato. Quindi nell'istante in cui la corrente limitata passa per il suo massimo si può scrivere

ua = e - R^•i

da cui si vede che anche nell'ipotesi più sfavorevole per cui e=EM, la tensione d'arco ua può restare inferiore alla tensione massima della rete.

Esempio: in un circuito con tensione di fase V=230 V (valore massimo 325 V) se la corrente di corto-circuito presunta è Ip=6 kA con cosϕ=0,6, sapendo che

R=V

I_p⋅cosϕ

e supponendo una corrente di cresta Il=4 kA il calcolo fornisce ua= 233 V, inferiore di circa 100 V alla EM. A fronte di queste tre condizioni da soddisfare per avere una limitazione efficace, i due capitoli seguenti

esplorano i differenti principi fisici e le tecniche utilizzate nella concezione di apparecchi limitatori, fusibili

ed interruttori.

elettrici, dovrà essere allora associato dall'uso di un interruttore.

Resistenza a cambiamento di stato

Due principi permettono di realizzare questo dispositivo:

■ far fondere in un involucro sigillato un elemento conduttore solido facendogli superare la temperatura di fusione:

è il classico fusibile che presenta l'inconveniente di avere bisogno della sostituzione dell'elemento fusibile dopo il suo intervento;

■ sostituire, rispetto al caso precedente, l'elemento fusibile con un corpo facilmente vaporizzabile con sollecitazioni termiche elevate (sodio o potassio ad esempio) ma i cui vapori, sottoposti a una forte pressione, si ricondensano rapidamente dopo l'estinzione dell'arco di interruzione:

questo è il fusibile auto rigenerante.

Si noti che questo tipo di fusibile è sempre provvisto di una resistenza in parallelo per evitare le sovratensioni.

Inoltre, esso richiede anche

un interruttore in serie (con il fusibile e la sua resistenza), per interrompere il circuito prima della rigenerazione dell'elemento fusibile.

Resistenza posta in parallelo, con contatti ad apertura rapida su guasto

Questo sistema può essere utilizzato con correnti nominali più elevate, non avendo il vincolo del riscaldamento permanente. D'altra parte rimangono i problemi legati alla commutazione della corrente dal contatto verso la resistenza in parallelo.

Inoltre è sempre necessario mettere in serie altri contatti per interrompere la corrente limitata.

energici permette di ottenere la tensione necessaria per limitare la corrente.

L'arco possiede inoltre, rispetto alle resistenze di limitazione, il vantaggio di non generare sovratensioni proporzionali alla corrente.

Indipendentemente dalle condizioni di interruzione, la tensione d'arco massima resta di valore circa costante e controllabile.

Inoltre, la formazione dell'arco è automatica a seguito della separazione di due contatti percorsi da correnti di forte intensità.

In pratica, nelle reti a più di 1000 V, è difficile ottenere tensioni d'arco sufficienti a limitare le correnti entro spazi ridotti (ad eccezione dei fusibili per modeste correnti nominali utilizzati in MT fino a 36 kV).

Per questo l'utilizzazione dell'arco come resistenza di limitazione è il procedimento più comune ed economico per la protezione delle reti BT.

Tutti questi mezzi favoriscono la creazione di una u_a e rispondono al bisogno di aumentarla. Si deve inoltre "intervenire presto" e "agire velocemente".

Da questo deriva l'interesse verso propulsori di contatti e verso sganciatori ultra rapidi per gli interruttori limitatori presentati nel capitolo seguente.

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3. Propulsori di contatti e sganciatori ultra rapidi

Propulsori dei contatti

I principali sistemi proposti per separare i contatti (quindi per inserire l'arco) sono classificati a seconda dell'origine dell'energia necessaria al loro funzionamento.

Sistemi indipendenti dalla corrente di corto-circuito

Con sorgente di energia ausiliaria, che può essere:

■ Meccanica

❑ energia accumulata in una molla,

❑ energia pneumatica,

❑ energia idraulica.

Una limitazione efficace esige accelerazioni dell'ordine di diverse migliaia di volte l'accelerazione di gravità, da ottenersi in tempi molto brevi (circa 1 ms). In pratica le tre sorgenti di energia citate non permettono di raggiungere questi obiettivi, rimanendo nei limiti di condizioni economiche ragionevoli.

■ Chimica

L'energia contenuta sotto forma chimica in un esplosivo è capace di sviluppare le accelerazioni richieste, ma la sua realizzazione pratica resta complessa. Inoltre la cartuccia esplosiva deve essere sostituita dopo ogni intervento. Anche questo metodo non ha dato luogo che a rari sviluppi.

■ Elettrica

L'energia necessaria è accumulata in un condensatore. Questo principio discende dagli esperimenti effettuati alla fine del 19° secolo da Elihu Thomson (rif. fig. 4). Una bobina piana B avvolta a spirale è accoppiata magneticamente, nel miglior modo possibile, con il disco conduttore D.

La scarica rapida del condensatore C nella bobina B, comandata da uno sganciatore elettronico, induce nel disco D delle correnti concentriche di verso opposto. Ne risulta una forza F di repulsione sul disco molto elevata e molto rapida (meno di un

millisecondo dopo l'ordine proveniente dallo sganciatore) ma di breve durata (solamente qualche millisecondo).

Questo procedimento viene talvolta utilizzato per effettuare molto

velocemente lo sgancio degli interruttori limitatori.

Sistemi a corrente propria L'energia necessaria per azionare i contatti mobili è fornita dalla stessa corrente di guasto. Numerosi

apparecchi utilizzano questo principio.

Questi sistemi sono classificati in due grandi famiglie a seconda della presenza o meno di circuiti magnetici (saturabili).

■ Elettrodinamici (senza circuito magnetico e quindi non saturabili).

La repulsione naturale dei contatti sotto l'effetto degli sforzi elettrodinamici è amplificata da configurazioni particolari come nei due esempi seguenti:

❑ repulsione tra due conduttori che formano una spira: uno fisso A e uno mobile B rotante attorno al punto O (rif. fig. 5a);

❑ repulsione su un contatto mobile a ponte B, accentuata da un incrocio tra i contatti fissi A e A' (rif. fig. 5b).

■ Elettromagnetici (con circuito magnetico e quindi con la presenza del fenomeno della saturazione):

❑ La figura 6a mostra un dispositivo di questo tipo: il solenoide S percorso da una corrente di forte intensità (corto- circuito) attrae il nucleo magnetico mobile N che, sbattendo sul contatto mobile B, determina l'apertura del circuito.

Questo è lo schema tipico degli interruttori modulari.

❑ la figura 6b rappresenta invece l'applicazione di questo principio agli apparecchi a elevata corrente nominale. Il dispositivo è composto da un circuito magnetico C con traferro, attraversato dalla corrente I del circuito da proteggere.

Una bobina B avvolta sul circuito magnetico si richiude su una barra A posta nel traferro del circuito.

A e B costituiscono il secondario di un trasformatore di corrente con traferro di cui I è la corrente primaria.

L'interazione della corrente secondaria in A e del campo magnetico nel traferro provoca una forza F che muove il contatto mobile.

Questo dispositivo è stato utilizzato per i limitatori installati sulle reti a corrente continua per trazione elettrica.

Nota

A differenza dai sistemi a sorgente ausiliaria dove l'energia disponibile è indipendente dal livello della corrente di guasto, lo sforzo sviluppato da un sistema a corrente propria così come l'istante della sua entrata in azione sono automaticamente legati al valore della corrente di guasto. Ne risulta quindi che per questo tipo di propulsori esiste un livello di corrente al di sotto della quale il sistema non è efficace, e che affida al solo meccanismo di sgancio dell'apparecchio la separazione dei contatti.

Sganciatori ultra rapidi

Gli sganciatori ultra rapidi hanno la funzione di confermare meccanicamente la separazione

"spontanea" dei contatti.

Sono indispensabili quando i propulsori dei contatti sono a corrente propria e i contatti mobili non hanno un aggancio in posizione di aperto.

In effetti, tenendo conto dell'inerzia meccanica del contatto mobile, bisogna che la separazione dei contatti sia confermata e garantita dal meccanismo di apertura in meno di 10 ms circa, in quanto lo sforzo di repulsione svanisce dopo l'interruzione della corrente di corto-circuito.

In caso contrario le molle di pressione richiudono i contatti ristabilendo il corto- circuito.

Questi dispositivi sfruttano gli stessi principi elettrici, elettrodinamici o elettromagnetici descritti nel paragrafo precedente.

A titolo d'esempio, in alcuni interruttori di tipo modulare, il nucleo magnetico mobile (N sullo schema della figura 6a) serve non solo per accelerare

la separazione dei contatti ma anche per sganciare molto rapidamente il meccanismo che mantiene

in posizione di chiuso i contatti mobili.

Anche il principio della figura 4

è già stato utilizzato per queste funzioni di sgancio.

fig. 4: schema di un propulsore di contatti secondo il principio di Elihu Thomson.

fig. 5: schemi dei propulsori di contatti a corrente propria di tipo elettrodinamico.

a) repulsione semplice b) repulsione rinforzata

fig. 6: schema dei propulsori di contatti a corrente propria di tipo elettromagnetici.

a) con nucleo magnetico, per interruttori modulari b) con circuito magnetico a "c", per interruttori ad elevata corrente nominale

B

i A

O

F

B

A' i

A

F

I

F A

B

C B

A O

N

nucleo fisso

S

F

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Esistono anche sganciatori ultrarapidi che utilizzano la pressione sviluppata dall'arco elettrico nella camera di interruzione in presenza di forti correnti.

Infatti, quando si genera un arco nella camera di interruzione, vi si crea una pressione di diversi bar disponibile dal momento in cui la corrente limitata passa per il suo massimo

(il punto P sulla figura 3).

La tecnica con la quale si utilizza questo principio, recentemente brevettata da Merlin Gerin, permette di realizzare interruttori molto rapidi e molto limitatori: questa pressione viene sfruttata, grazie a canalizzazioni e valvole appropriate per azionare un pistone che comanda in meno di 5 ms il meccanismo di apertura

dell'interruttore.

4. Conclusioni

La lettura di questo Dossier Tecnico permette di apprezzare l'importanza delle ricerche necessarie per poter offrire gamme di interruttori ad alte prestazioni.

Merlin Gerin a partire dal 1930, insieme ad altri costruttori, ha contribuito al miglioramento della sicurezza in generale e alla affidabilità della distribuzione elettrica. Gli ultimi brevetti depositati dalla società rappresentano il futuro degli interruttori limitatori nella distribuzione elettrica dove migliorano notevolmente la selettività e, come conseguenza, la continuità di servizio.