Dossier tecnico n° 8

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La selettività energetica in BT

Indice

1. La selettività in BT 2

Definizione 2

Contributo all’obiettivo 2

della sicurezza e della disponibilità

Zone di selettività 3

2. Le tecniche di selettività 4 in presenza di corto-circuiti

Selettività amperometrica 4

Selettività cronometrica 4

Selettività “SELLIM” 5

Selettività logica 5

Impiego dei diversi tipi 5

di selettività

3. La selettività energetica 6 Quadro di rappresentazione 6 delle energie

Caratterizzazione di un interruttore 7 Compact NS

Caratterizzazione degli sganciatori 8 4. La selettività energetica 10 ed i suoi vantaggi

Interruttore limitatore equipaggiato 10 con uno sganciatore a pressione La selettività con i Compact NS 11 Associazione con i dispositivi 12 di protezione tradizionali

5. Conclusioni 13

6. Allegato 1: richiami 14 sull’interruzione con limitazione 7. Allegato 2: lessico 15 Dossier tecnico n° ⁸

Redatto a cura del

Servizio Tecnico Commerciale Attività Bassa tensione

L’obiettivo di questo Dossier Tecnico è quello di presentare una nuova tecnica di selettività delle interruzioni in presenza di corto-circuiti: la selettività energetica.

Più semplice e più efficace delle tecniche abituali di selettività, essa è realizzata sulla gamma di interruttori Compact NS utilizzati nella distribuzione BT di potenza.

Perchè la selettività sia assicurata indipendentemente dalla corrente di guasto presunta è sufficiente avere interruttori, a monte ed a valle, di taglia diversa (rapporto ≥ a 2,5) con i calibri degli sganciatori in un rapporto ≥ a 1,6.

Dopo un breve richiamo alle tecniche classiche di selettività, vengono esaminati con un approccio energetico i comportamenti degli interruttori e dei diversi sganciatori.

Si evidenzia poi che la selettività totale è possibile fino al potere di interruzione degli interruttori, a diversi livelli, e senza far ricorso alla selettività cronometrica.

Questa pubblicazione fa parte della collana "Dossier Tecnici" coordinata dalla Direzione Tecnica di Merlin Gerin.

I Dossier Tecnici rappresentano un agile strumento di lavoro frutto del patrimonio di esperienze e competenze aziendali.

La collezione ha lo scopo di fornire informazioni più approfondite ed essere un valido strumento di riferimento nei campi specifici delle apparecchiature elettromeccaniche, dell'elettronica industriale, del trasporto e della distribuzione dell'energia elettrica.

2 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8

1. La selettività in BT

Definizione

In un impianto elettrico, gli apparecchi utilizzatori sono associati ai generatori attraverso una successione di

dispositivi di protezione, sezionamento e comando.

Questo Dossier Tecnico tratta essenzialmente la funzione di protezione assicurata dall’interruttore.

Nel caso della distribuzione radiale (rif. fig. 1), l’obiettivo della selettività è quello di disconnettere dalla rete l’apparecchio utilizzatore o il circuito di distribuzione interessato dal guasto, e soltanto questo, in modo da consentire la massima continuità di servizio.

Se uno studio di selettività è mal realizzato o addirittura non è stato eseguito, un guasto elettrico può sollecitare più dispositivi di protezione.

Così, un solo guasto può provocare il distacco dalla rete di una parte più o meno grande dell’impianto.

Ne risulta una perdita ingiustificata di disponibilità dell’energia elettrica sulle partenze sane.

Le sovracorrenti riscontrabili in un impianto sono di diversi tipi:

■ sovraccarico;

■ corto-circuito;

■ picchi di corrente di inserzione;

ma anche:

■ correnti di dispersione a terra;

■ correnti transitorie dovute ad un buco o a un’assenza momentanea di tensione.

Per garantire una continuità di servizio ottimale, è necessario l’impiego di dispositivi di protezione coordinati tra di loro.

È da notare che i buchi di tensione possono provocare l’apertura intempestiva degli interruttori a causa dell’azione degli sganciatori di minima tensione.

Contributo all’obiettivo della sicurezza e

della disponibilità

A ciascun tipo di guasto corrisponde un dispositivo di protezione specifico, (protezione contro le correnti di

sovraccarico, di corto-circuito, di guasto a terra, contro la mancanza di

tensione...), ma un guasto può sollecitare simultaneamente più tipi di dispositivi di protezione, direttamente o per effetto secondario.

Esempi

■ Una corrente di corto circuito elevata crea un buco di tensione che può sollecitare il dispositivo di protezione contro gli abbassamenti di tensione;

■ un difetto di isolamento può essere rilevato sia come guasto omopolare da un dispositivo di protezione differenziale, sia come sovracorrente da un dispositivo di protezione contro i corto-circuiti (questo nei sistemi TN e IT);

■ una corrente di corto-circuito elevata può causare il funzionamento del dispositivo di protezione contro i guasti a terra (nel caso ad esempio di un sistema TT) in seguito alla saturazione locale del toroide sommatore che crea un falso effetto di corrente omopolare.

In una determinata rete, lo studio della selettività, o più generalmente

il piano di protezione dell’impianto, utilizza le caratteristiche dei dispositivi di protezione pubblicate dai costruttori.

Questo studio inizia con l’analisi dei bisogni di dispositivi di protezione specifici per ciascun tipo di guasto, seguito dall’analisi del coordinamento delle diverse protezioni che possono essere contemporeamente sollecitate.

Ciò permette di ottenere la migliore continuità di servizio, garantendo nel contempo la protezione dei beni e delle persone.

Nel capitolo seguente, ci si limiterà al problema della selettività nel caso delle sovracorrenti (sovraccarichi e corto- circuiti).

In questo caso, la selettività tra interruttori è determinata molto

semplicemente dall’apertura o dalla non apertura di diversi interruttori (rif. fig. 2).

fig. 1: diversi interruttori sono interessati dal guasto g.

A C₁

C₃

C₄ B

C₂

I_g

I_gcircola attraverso C₁, C₂, C₃, C₄.

MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8 3 fig. 3: selettività rispetto ai sovraccarichi

C₂ C₁

C₂ C₁

fig. 2: comportamento degli interruttori in caso di guasto.

a): apertura di C₁ e C₂.

➠ non selettività: energia non disponibile per le partenze sane.

b): apertura di C₂, C₁ rimane chiuso

➠ selettività: continuità di servizio per le partenze sane.

Selettività totale

La rete di distribuzione è detta totalmente selettiva se, per qualsiasi valore della corrente di guasto, soltanto il dispositivo di protezione situato più a valle tra tutti quelli sollecitati dal guasto si apre e rimane aperto.

Selettività parziale

La selettività è detta parziale se la condizione sopra descritta non è più rispettata al di sopra di una certa corrente di guasto.

Zone di selettività

In una rete di distribuzione elettrica si possono riscontrare due tipi di guasto che danno origine a sovracorrenti:

■ i sovraccarichi;

■ i corto-circuiti.

Si considera generalmente che i sovraccarichi siano delle sovracorrenti di intensità compresa fra 1,1 e 10 volte l’intensità di servizio.

Al di là, si tratta di corto-circuiti da eliminare nel minor tempo possibile, per intervento dello sganciatore istantaneo (IST) o di corto ritardo (CR) dell’interruttore.

Lo studio di selettività è diverso a seconda del tipo di guasto.

Nella zona dei sovraccarichi Questa zona è situata a partire dalla soglia di funzionamento I_LR dello sganciatore lungo ritardo (LR).

La curva di sgancio t_i = f (Ip) è generalmente a tempo inverso al fine di meglio adattarsi alla curva di sollecitazione termica ammissibile dai cavi.

Il metodo conosciuto e largamente diffuso consiste nel tracciare, in un sistema di coordinate bilogaritmiche, le curve di intervento degli sganciatori LR interessati dal guasto (rif. fig. 3).

Per un qualsiasi valore di sovracorrente, la selettività in

sovraccarico è assicurata se il tempo di non sgancio dell’interruttore a monte C₁ è superiore al tempo massimo di interruzione dell’interruttore C₂ (compreso il tempo d’arco).

Questa condizione è in pratica realizzata se il rapporto I_LR1 / I_LR2 è ≥ a 1,6.

Nella zona dei corto-circuiti La selettività si verifica per confronto delle curve dell’interruttore a monte e dell’interruttore a valle.

Le tecniche che permettono di ottenere la selettività tra due interruttori in caso di corto-circuiti sono basate

sull’utilizzazione di interruttori e/o sganciatori di tipo o di regolazione diversa, in modo da evitare che le curve si intersechino.

Queste tecniche sono molteplici; esse sono illustrate nel capitolo seguente.

zona di selettività dei sovraccarichi

I_{L R2} I_{L R1} I_{i s t 2}

Ip t_i

sovraccarichi corto-circuiti C₂ C₁

4 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8

2. Le tecniche di selettività in caso di corto-circuiti

Ip C₂

t_i C₁ C₂: rapido limitatore C₁: rapido

Nota: l’impiego su C1 di uno sganciatore a corto ritardo dipendente (punteggiata) favorisce la selettività.

fig. 6: selettività pseudo-cronometrica.

■ il secondo si applica soltanto all’ultimo livello della distribuzione e consiste nell’utilizzazione di un interruttore limitatore.

Uso di interruttori selettivi Il termine selettivo ha due significati:

■ lo sganciatore dell’interruttore è equipaggiato con un sistema di ritardo intenzionale fisso o regolabile,

■ l’impianto e l’interruttore sono in grado di sopportare la corrente di guasto durante il tempo di ritardo intenzionale (tenuta termica e tenuta elettrodinamica).

Un interruttore selettivo può essere preceduto (a monte) da un altro interruttore selettivo il cui ritardo intenzionale è maggiore.

L’impiego di questo tipo di interruttori che corrisponde alla selettività cronometrica conduce, in caso di guasto, a tempi di interruzione superiori a 20 ms (un periodo), potendo arrivare a qualche centinaio di millisecondi (rif. fig. 5).

Quando l’impianto (ed eventualmente l’interruttore) non è in grado

di sopportare un’elevata Icc durante il tempo di ritardo, è necessario che l’interruttore C₁ sia equipaggiato con uno sganciatore istantaneo ad alta soglia (SAS).

In questo caso, la zona di selettività è limitata dalla soglia dello SAS dell’interruttore a monte (rif. fig. 5).

Uso di interruttori limitatori e selettività “pseudo-cronometrica”

Questi interruttori sono caratterizzati da:

■ il fatto che essi limitano fortemente la corrente di corto-circuito grazie alla loro rapidità di apertura ed alla loro tensione d’arco elevata,

■ il fatto che più la corrente di corto- circuito presunta è elevata, più essi sono rapidi.

In conseguenza di ciò la scelta di un interruttore limitatore a valle permette di ottenere una selettività “pseudo- cronometrica” tra due livelli di protezione.

Questa soluzione, grazie al suo effetto di limitazione ed alla rapidità di eliminazione del guasto, permette inoltre di limitare le sollecitazioni termiche ed elettrodinamiche dell’impianto (rif. fig. 6).

Diverse tecniche permettono di ottenere l’obiettivo della selettività in caso di corto-circuito che interessi due apparecchi:

■ la selettività amperometrica,

■ la selettività cronometrica,

■ la selettività “SELLIM”,

■ la selettività logica,

■ la selettività energetica (oggetto dei capitoli 3 e 4).

Selettività amperometrica

Essa risulta dalla differenza tra le soglie degli sganciatori istantanei o di corto ritardo degli interruttori posti in serie sull’impianto.

Utilizzata soprattutto nella distribuzione terminale, essa riguarda interruttori rapidi sprovvisti di dispositivo di ritardo intenzionale allo sgancio.

Essa si applica nel caso di guasti nel campo delle correnti di corto-circuito e consente generalmente una selettività parziale.

Essa è tanto più efficace quanto più le correnti di guasto presunte sono diverse in funzione della loro comparsa in un punto o in un altro della rete; ciò in considerazione della resistenza non trascurabile dei conduttori di piccola sezione (rif. fig. 4).

La zona di selettività è tanto più ampia e importante quanto più è grande la differenza tra le soglie degli sganciatori istantanei di C₁ e di C₂ e quanto più il punto di guasto è lontano da C₂ (I_cc debole < I_ist di C₁).

Per ottenere selettività amperometrica, il rapporto minimo tra I_ist1 e I_ist2 deve essere di 1,5 per tener conto della precisione delle soglie.

Selettività cronometrica

Per garantire una selettività totale, le curve di sgancio dei due interruttori non devono sovrapporsi in alcun punto in tutto il campo dei valori della corrente di corto-circuito presunta.

Per le correnti di guasto elevate, la selettività totale è garantita se le due parti orizzontali delle curve, a destra di I_ist1, sono distinte (rif. fig. 5).

Diversi metodi sono utilizzati per raggiungere questo obiettivo:

■ il più classico consiste nella scelta di interruttori selettivi equipaggiati con un dispositivo di ritardo intenzionale,

limite di selettività ai corto-circuiti

I_ist2

Ip t_i

I_ist1

zona di selettività ai corto-circuiti C₂ C₁

fig. 4: selettività amperometrica

Nota: l’impiego di uno sganciatore istantaneo ad alta soglia SAS determina il limite di selettività.

fig. 5: selettività cronometrica

I_SAS1 C₂

C₂: rapido

C₁: selettivo con gradini di corto ritardo 1-2-3 t_i

C₁

I_CR1

limite di tenuta termica dell'impianto e/o dell'interruttore

Ip 1 3 2

MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8 5 fig. 9: esempio di impiego dei diversi tipi di selettività.

Selettività “SELLIM”

Il sistema “SELLIM” presenta insieme diversi aspetti interessanti:

■ la selettività;

■ la filiazione;

■ la riduzione delle sollecitazioni nell’impianto.

Esso consiste nell’installare a monte di un interruttore C₂ rapido, un interruttore C₁ ultralimitatore equipaggiato con uno sganciatore specifico la cui particolarità è quella di non sganciare in

corrispondenza della prima semionda della corrente di guasto (rif. fig. 7).

Un guasto che si manifesta nel punto B sarà rilevato dai due interruttori.

C₂, equipaggiato con uno sganciatore istantaneo, si apre quando la corrente di guasto diventa superiore alla sua soglia di sgancio ed elimina il guasto in meno di un semiperiodo.

C₁ non rileva che un’onda di corrente e non sgancia. Tuttavia la corrente di guasto provoca la repulsione dei contatti; ciò limita la corrente e le sollecitazioni che ne derivano.

Questa limitazione della corrente di guasto permette a valle l’impiego di interruttori aventi potere di interruzione inferiore alla corrente di guasto presunta (secondo il principio della filiazione).

Un guasto in A provoca la repulsione dei contatti dell’interruttore limitatore, con consenguente limitazione delle sollecitazioni dovute alla corrente di guasto, e l’apertura di C₁ dopo la seconda semionda di corrente limitata.

Selettività logica

Essa richiede un trasferimento di informazioni tra gli sganciatori degli interruttori dei diversi livelli della distribuzione radiale.

Il suo principio è semplice (rif. fig. 8):

■ tutti gli sganciatori che rilevano una corrente superiore alla loro soglia di intervento inviano un ordine di attesa logica allo sganciatore dell’interruttore immediatamente a monte;

■ lo sganciatore dell’interruttore situato immediatamente a monte del corto- circuito non riceve alcun ordine di attesa ed agisce immediatamente.

In questo modo, a tutti i livelli di distribuzione, il tempo di eliminazione di un guasto resta basso.

La selettività logica si applica agli interruttori BT selettivi di forte intensità, ma è soprattutto utilizzata nelle reti di media tensione industriali. Per maggiori dettagli vedere il Dossier Tecnico n° 3

“Protezione degli impianti per mezzo del Sistema di Selettività Logica”.

Impiego dei diversi tipi di selettività

I diversi tipi di selettività presentati precedentemente vengono

abitualmente combinati per ottenere la migliore disponibilità dell’energia elettrica: si veda a titolo di esempio la figura 9.

Gli studi di selettività sono attualmente realizzati con l’ausilio di tabelle fornite dai costruttori.

Queste tabelle definiscono i limiti di selettività per ogni combinazione di interruttori e per ciascuno dei loro sganciatori.

La selettività energetica presentata nel capitolo seguente è un’innovazione che porta a semplificare considerevolmente gli studi per la distribuzione in BT e permette di ottenere la selettività totale su diversi livelli e con minor costo.

C₁

C₂ A

B

2,5 ms i₃

u₃ i₂

u₂ i₁

u₁

26 kÂ

i₃

u₃ i₂

u₂ i₁

u₁

3,5 ms

12 ms guasto in B

guasto in A

34 kÂ

fig. 7: selettività “SELLIM”

(C₁ = Compact C250 L SB C₂ = Compact C101 N).

relé logico

relé logico ordine d'attesa logica C₁

C₂

fig. 8: selettività logica.

circuito

interessato logica

distribuzione di potenza

distribuzione terminale

tipo di selettività tipo di

interruttore

cronometrica pseudo-

cronometrica

"SELLIM"

selettivo logico selettivo rapido limitatore SELLIM rapido origine

dell'impianto BT

rapido limitatore

6 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8

3. La selettività energetica

10 In 15 In30 In 10 In I² . t

IST CR1

CR2 t_(s)

Ip_(A)

LR (A² . s)

Ip_(A)

fig. 10: curve t_i = f (I_p) e I²t = f (I_p) di un interruttore equipaggiato con uno sganciatore elettronico.

La selettività energetica rappresenta un miglioramento ed una generalizzazione della selettività “pseudo-cronometrica”

descritta al capitolo precedente:

la selettività è totale se, per tutti i valori di I_p, l’energia lasciata passare dall’interruttore a valle è inferiore all’energia necessaria al funzionamento dello sganciatore dell’interruttore a monte.

La realizzazione tecnologica del principio della selettività energetica è oggetto di un brevetto depositato in seguito alla creazione degli interruttori Compact NS.

Questi interruttori rapidi e fortemente limitatori rispondono alle nuove esigenze del mercato in termini di:

■ aumento delle potenze installate, da cui deriva un aumento delle correnti di corto-circuito e dunque dei poteri di interruzione,

■ bisogno di limitare le sollecitazioni nell’impianto e di limitare le correnti di guasto in intensità e durata.

Per ragionare in termini di energia e comprendere la selettività energetica, la scelta del quadro di

rappresentazione delle curve di funzionamento è un elemento importante, che viene illustrato nel successivo paragrafo.

Si esamineranno nel seguito i comportamenti energetici degli interruttori limitatori e dei diversi sganciatori.

Quadro di

rappresentazione delle energie

Le curve t_i = f (I_p) utilizzate

abitualmente per gli studi di selettività non sono significative per gli interruttori limitatori quando le correnti sono superiori a 25 In (con corrispondenti tempi di interruzione inferiori a 10 ms alla frequenza di 50 Hz).

La selettività deve essere studiata considerando dei fenomeni transitori e non a partire da fenomeni periodici.

La comprensione della selettività energetica richiede la caratterizzazione e la rappresentazione di:

■ l’onda di corrente lasciata passare dall’interruttore durante l’interruzione, caratterizzata dal suo integrale di Joule

∫^{i 2•} dt (spesso indicato come I² • t ), corrispondente all’energia specifica di interruzione E_s.

■ la sensibilità degli sganciatori all’energia corrispondente all’impulso di corrente.

Di conseguenza, queste caratteristiche sono rappresentate mediante curve I² • t = f (I_p) invece di t_i = f (I_p), (rif. fig. 10).

È interessante notare che la norma IEC 947-2 prevede la caratterizzazione degli interruttori in funzione di questi tipi di curve.

Per maggiore praticità, la curva I² • t = f (I_p) è rappresentata in un sistema di coordinate bilogaritmiche.

Per lo studio di selettività, i limiti dell’I² • t di interruzione (E_s degli interruttori) si posizionano tra 10⁴ e 10⁷ A² • s per correnti presunte variabili tra 1 e 100 kA.

Sono dunque necessarie tre decadi per E_s e due per la corrente I_p.

Considerando che la semionda di corrente limitata è equivalente ad una semisinusoide che ha la stessa pendenza all’origine della corrente presunta, l’energia specifica di interruzione E_s può essere espressa in funzione di I_p dalle seguenti relazioni (vedere l’allegato sull’interruzione con limitazione):

■ per t ≥ 10 ms (2) ➠ E_s = I_p² • t

■ per t < 10 ms

(3) ➠ E_s = 4 • f² • I_p² • t_vi³

oppure

(4) ➠

Partendo da queste equazioni è possibile arricchire il sistema di assi I²• t / I_p in modo da disporre di informazioni supplementari quali il tempo virtuale di interruzione (t_vi) e la corrente di cresta limitata ( î ).

E î

s f I

p

= ⋅ ⋅ 3 4 2

MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8 7

Rette dei tempi (rif. fig. 11) Un reticolo di rette a tempo di

interruzione costante può, per una data frequenza, essere riportato sul sistema di assi bilogaritmici.

Ad esempio per f = 50 Hz, il tracciato delle rette per:

■ t = 20 ms corrisponde al tempo di interruzione più comunemente riscontrato quando I_p è superiore alla soglia di intervento degli istantanei e inferiore alla soglia di repulsione dei contatti:

(2) ➠ E_s = I_p² • 2 •10^–2;

■ t = da 9 a 4 ms traduce il comportamento dell’interruttore in limitazione:

(3) ➠ E_s = I_p² • t_vi³ • 10⁴. Rette delle correnti di cresta

Analogamente, a partire dalla relazione (4)

un reticolo di curve corrispondenti a valori costanti delle correnti di cresta limitate può essere riportato sul tracciato di base (rif. fig. 11).

Si noti che questo tipo di rappresentazione permette di caratterizzare gli interruttori e gli sganciatori a 50 Hz per guasti tripolari, bipolari o unipolari.

Caratterizzazione di un interruttore Compact NS

Rappresentazione dell’I²• t di interruzione

La caratteristica di I²• t lasciata passare da un interruttore è derivata da prove di tipo normalizzate o da simulazioni numeriche realizzate ad una tensione e ad una frequenza determinate.

Le curve che seguono corrispondono a dei guasti trifasi a 400V/50 Hz.

Le stesse curve possono essere tracciate per altre frequenze o altre tensioni.

I valori rilevati sono quelli massimi ottenuti per diversi angoli di chiusura (limiti superiori) (rif. fig. 12).

1

40 ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms

3 10 50 100

1 0⁷

1 0⁶

1 0⁵

1 0⁴

î = 40 kA

î = 20 kA

î = 10 kA

Ip (kA) î = 5 kA

Ι^{2. t}

2,5 ms ( A². s )

5 30

fig. 11: quadro di rappresentazione delle energie.

1

40 ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms

3 10 50 100

1 0⁷

1 0⁶

1 0⁵

1 0⁴

î = 40 kA

î = 20 kA

î = 10 kA

Ip (kA) î = 5 kA

Ι^{2. t}

2,5 ms ( A². s )

5 30

(10 Ιn) C D (B)

(E)

A F

fig. 12: curva di interruzione di un interruttore limitatore.

E î

s f I

p

= ⋅ ⋅ 3 4 2

8 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8

Interpretazione della curva Diverse informazioni sono deducibili dalla curva di figura 12, che è relativa ad un interruttore Compact NS di taglia 250 A equipaggiato con uno

sganciatore elettromeccanico a corto ritardo dipendente (CRD) con soglia di intervento pari a 10 In.

La curva rappresenta le diverse fasi di comportamento in interruzione dell’interruttore limitatore in funzione del valore della corrente di corto- circuito presunta I_p.

■ punto A: quando la corrente di guasto raggiunge la soglia di funzionamento dello sganciatore, il tempo di interruzione è tipicamente di 50 ms per uno sganciatore IST o CRD;

■ punto B: quando la corrente di guasto è superiore alla corrente di soglia dello sganciatore, il tempo di interruzione diminuisce e si stabilizza a 20 ms a partire da 16 In;

■ punto C: quando la corrente di guasto si posiziona al livello della soglia di repulsione dei contatti, avviene un inizio di limitazione della corrente a causa dell’inserzione di una tensione d’arco nel circuito. A questa limitazione corrisponde la tendenza alla rimessa in fase della corrente e della tensione, mentre i tempi di eliminazione del guasto variano da 20 a 10 ms con l’aumentare di I_p;

■ punto D: quando la corrente di guasto è dell’ordine di 1,7 volte la soglia di repulsione, l’energia di propulsione dei contatti è sufficiente perché essi si aprano completamente;

il tempo di interruzione è allora tipicamente di 10 ms.

Questa interruzione, di tipo

“incondizionato” è autonoma e non richiede uno sganciatore se non per confermare la condizione di aperto dell’interruttore ed evitare che i contatti si richiudano intempestivamente;

■ zona E: quando la corrente di guasto risulta superiore a 2 volte la soglia di repulsione dei contatti, la limitazione della corrente di guasto diventa sempre più forte, di conseguenza i tempi di interruzione diventano sempre più brevi;

■ punto F: la fine della curva corrisponde al limite del potere di interruzione dell’interruttore.

La curva così tracciata è molto ricca di informazioni:

■ soglia di intervento dello sganciatore (I di soglia; punto A);

■ I² • t di interruzione in funzione della corrente presunta;

■ corrente di inizio della repulsione (I_rep; punto C);

■ potere di interruzione (Pdi; punto F);

■ tempo di interruzione (t_vi) in funzione della corrente presunta;

■ corrente di cresta limitata ( î ) in funzione della corrente presunta;

■ corrente al di sopra della quale t_vi < 10 ms (inizio della limitazione).

Caratterizzazione degli sganciatori

Gli sganciatori sono caratterizzati dal loro tempo di risposta ad una determinata corrente.

Facendo variare la durata ed il valore di cresta della corrente, ciò che corrisponde a diverse correnti limitate da un interruttore, si ottiene mediante prove successive una serie di punti che possono essere riportati sul supporto descritto precedentemente, in modo da ottenere la curva caratteristica di uno sganciatore.

Sganciatori magnetici

■ sganciatore istantaneo (IST) Costituito in generale da un nucleo magnetico ad U e da una paletta, esso assicura la protezione contro i corto- circuiti. Il suo tempo di intervento è inferiore a 50 ms in corrispondenza della sua soglia di funzionamento (situata generalmente tra 5 e 10 volte

fig. 13: curve di diversi sganciatori magnetici.

1

40 ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms

3 10 50 100

1 0⁷

1 0⁶

1 0⁵

1 0⁴

î = 40 kA

î = 20 kA

î = 10 kA

Ip (kA) î = 5 kA

Ι^{2. t}

2,5 ms ( A². s )

5 30

(10 In) ritardo

fisso 20 ms (CR)

ritardo

variabile (CRD) istantaneo (IST)

SAS

la corrente nominale), poi decresce rapidamente all’aumentare della corrente fino a tempi inferiori a 10 ms (rif. fig. 13);

■ sganciatore istantaneo ad alta soglia (SAS)

Come indicato al paragrafo “Selettività cronometrica”, gli SAS hanno

il compito, nell’ambito dell’impiego della selettività cronometrica, di limitare le sollecitazioni termiche (rif. fig. 5) sull’impianto e sull’apparecchio di interruzione.

Lo sganciatore SAS è uno sganciatore istantaneo la cui soglia è generalmente di qualche decina di In.

Esso può essere di tipo elettromagnetico o elettronico;

■ sganciatore a ritardo costante È composto da uno sganciatore istantaneo associato ad un sistema ritardatore di tipo “a orologeria” in modo da rendere il suo intervento selettivo rispetto all’interruttore a valle.

I ritardi possono essere compresi tra 10 e 500 ms e sono generalmente regolabili a gradini. La figura 13 mostra la curva (gradino 20 ms)

corrispondente ad un corto ritardo.

Se la sollecitazione termica (I² • t) risultante da una corrente elevata deve essere limitata, è necessario

l’intervento dello SAS (rif. fig. 13).

MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8 9 fig. 15: principio dello sganciatore a pressione.

P₁ P₂ P₃ unità di interruzione

valvole

pistone fase 1 in guasto

pressione P₁ pressione P₂ e P₃

■ sganciatore a ritardo variabile in funzione di I_p (corto ritardo dipendente;

CRD).

Il ritardo è ottenuto utilizzando l’inerzia di una massa, cosicchè questo ritardo diventa inversamente proporzionale a I_p (rif. fig. 13).

Sganciatore elettronico

I dispositivi istantanei degli sganciatori elettronici sono sensibili al valore efficace (RMS) o al valore di cresta della corrente. La loro caratteristica di I²•t, per forti correnti di guasto, è teoricamente su di una retta a î = costante.

In realtà, ciò è vero per durate dell’impulso di corrente superiori ai tempi di reazione degli elementi

“attuatori” dello sganciatore

(tipicamente 4 ms); al di sotto di questo valore, l’inerzia della parte meccanica dello sganciatore fa sì che si ottenga, per delle I_p elevate, una caratteristica simile a quella di uno sganciatore elettromeccanico istantaneo.

È allora necessario caratterizzare l’interruttore mediante la sua curva E_s = f (I_p) effettuando delle prove identiche a quelle effettuate per gli sganciatori magnetici.

Questi sganciatori possono essere di tipo istantaneo o di tipo ritardato.

È possibile associare diversi tipi di sganciatori elettronici, ad esempio:

■ da 10 a 15 In, CR (40 ms);

■ da 15 a 30 In, CR (10 ms);

■ > 30 In, IST.

La figura 14 illustra questo esempio, le curve di questa associazione si possono confrontare con quelle della figura 10 per l’energia specifica di interruzione dell’interruttore.

Sganciatore con rilevatore d’arco Generalmente associati a sganciatori elettronici, i rilevatori d’arco possono essere utilizzati per la protezione:

■ di una cella di quadro: se si manifesta un arco nella cella, il rilevatore d’arco comanda l’apertura dell’interruttore di arrivo;

■ di un interruttore selettivo:

il rilevatore d’arco, installato nella camera di interruzione, provoca, mediante lo sganciatore elettronico, lo sgancio istantaneo dell’interruttore.

L’autoprotezione dell’apparecchio viene così realizzata permettendo il suo impiego con caratteristica di intervento ritardata fino al limite della sua tenuta elettrodinamica.

Sganciatore a pressione In un interruttore, la pressione che compare nella camera di interruzione è una conseguenza dell’energia

sviluppata dall’arco.

Questa pressione può, a partire da un certo valore della corrente di guasto, diventare un mezzo di rilevamento della corrente di guasto e quindi di sgancio dell’interruttore.

Ciò si ottiene convogliando l'espansione dei gas dall'unità di interruzione verso un pistone dedicato al comando del sistema di apertura dell'interruttore (rif. fig. 15).

Lo sganciatore a pressione può essere utilizzato:

■ per assicurare l’autoprotezione di un interruttore selettivo (come nel caso del rilevatore d’arco);

■ per migliorare il comportamento in interruzione e la sicurezza di funzionamento di un interruttore rapido limitatore.

Se ad ogni interruttore è associato uno sganciatore a pressione ben calibrato, la selettività tra gli interruttori di taglia diversa è assicurata per tutte le sovracorrenti superiori a 20 In.

È questo sganciatore a comportamento energetico (I² • t costante) che sta alla base della selettività energetica realizzata con gli interruttori limitatori Compact NS.

fig. 14: esempio di associazione di curve di sganciatori elettronici.

1

40 ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms

3 10 50 100

1 0⁷

1 0⁶

1 0⁵

1 0⁴

î = 40 kA

î = 20 kA

î = 10 kA

Ip (kA) î = 5 kA

Ι^{2. t}

2,5 ms ( A². s )

5 30

(IST) ritardo 40 ms (CR)

ritardo 10ms

(10 In)

10 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8

4. La selettività energetica ed i suoi vantaggi

1

40 ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms

3 10 50 100

1 0⁷

1 0⁶

1 0⁵

1 0⁴

î = 40 kA

î = 20 kA

î = 10 kA

Ip (kA) î = 5 kA

Ι^{2. t}

2,5 ms ( A². s )

5 30

sganciatore a pressione

CR 40 ms CR 10 ms È importante ricordare che il sistema di

sgancio di un interruttore, sia esso di tipo elettromeccanico, elettronico o misto, deve rispondere nel miglior modo possibile ai seguenti criteri:

■ minime sollecitazioni per l’impianto (limitare î e I² • t);

■ affidabilità dello sgancio (sicurezza);

■ minime perturbazioni sulla parte sana dell’impianto (buchi di tensione);

■ facilità degli studi di selettività.

Interruttore limitatore equipaggiato con

sganciatore a pressione

Lo sganciatore a pressione, associato ad uno sganciatore CRD

elettromagnetico o elettronico, con caratteristica di intervento ritardata a 2 gradini, permette di rispondere in maniera ottimale ai criteri sopra elencati.

La figura 16 illustra la “sensibilità energetica” di questa associazione.

Più la corrente di corto-circuito presunta è elevata, più il tempo di reazione è ridotto, cosicchè si arriva ad uno sgancio ad energia specifica I² • t quasi costante.

L’energia lasciata passare dall’interruttore limitatore segue la medesima legge, con un leggero aumento all’aumentare della corrente presunta.

Sollecitazioni sull’impianto Esse sono ridotte rispetto a quelle prodotte dagli interruttori limitatori della generazione precedente.

Se si riconsidera l’esempio della fig. 12 per un interruttore Compact NS 250 A ed una I_p di 40 kA:

■ il tempo di interruzione è di 4 ms,

■ la corrente di cresta è di 20 kA,

■ l’I² • t è di 8 • 10⁵ A² • s.

Sicurezza di funzionamento Lo sganciatore a pressione è parte integrante del meccanismo di apertura in corto circuito, dunque la sua

caratteristica di funzionamento dipende dalla taglia dell’interruttore.

Lo sganciatore CRD, di tipo elettromeccanico (rif. fig. 13) o elettronico (rif. fig. 14), è definito dal suo calibro e può essere regolato a diversi valori della corrente di intervento. Il suo funzionamento è fisicamente indipendente dallo sganciatore a pressione.

Questa separazione fisica migliora la sicurezza di funzionamento.

Buchi di tensione

In un impianto, i buchi di tensione sollecitano sia gli sganciatori di minima tensione degli interruttori che i

contattori.

La loro apertura intempestiva, in seguito ad un buco di tensione provocato da un corto-circuito,

comporta un fuori servizio ingiustificato.

Per questa ragione, uno studio di selettività deve riguardare anche la tenuta dei contattori e

degli sganciatori di minima tensione in corrispondenza dei buchi di tensione.

Il buco di tensione sulla rete dura fintanto che la tensione d’arco che si contrappone alla tensione

della sorgente permette l’interruzione della corrente: esso dipende dunque dal tipo di interruttore e/o sganciatore utilizzato:

■ con gli interruttori non limitatori, il buco di tensione è notevole e la sua durata varia da 10 a 15 ms (rif. fig. 17);

fig. 16: curve di associazione di sganciatori (elettromagnetico e pressione o elettronico e pressione.

MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n° 8 11 fig. 17: il buco di tensione sulla rete dipende dal

tipo di interruttore impiegato.

u_a i_l

u_r

b) interruttore fortemente limitatore

5 10 20

U, I

t (ms)

1

40 ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms

3 10 50 100

1 0⁷

1 0⁶

1 0⁵

1 0⁴

î = 40 kA

î = 20 kA

î = 10 kA

Ip (kA) î = 5 kA

Ι^{2. t} ( A². s )

5 30

interruzione

non sgancio

interruzione

non sgancio interruzione

ST 160 ST 200 ST 250

100 A

100 A

magnetico 100 A ST 400 ST 500 630 AST 630

630 A

250 A 250 A

non sgancio 2,5 ms

ST 160 - ST 200 e ST 250 : sganciatori elettronici utilizzati con interruttori di taglia 250A.

ST 400 - ST 500 - ST 630 : sganciatori elettronici utilizzati con interruttori di taglia 630A.

Selettività totale

La figura 18 dà un esempio di selettività totale fino a 100 kA su tre livelli con interruttori di taglia 100-250-630 A equipaggiati con diversi sganciatori.

Perché si abbia selettività totale, è sufficiente che l’energia specifica lasciata passare dall'interruttore a valle sia inferiore all’energia necessaria al funzionamento dello sganciatore dell’interruttore a monte.

Con gli interruttori Compact NS, la selettività è totale fino a 150 kA Regola pratica

La selettività è totale e senza riserve se:

■ le taglie degli interruttori successivi sono in un rapporto

≥ ^{a 2,5;}

■ i calibri degli sganciatori sono in rapporto ≥ ^{a 1,6.}

■ con gli interruttori limitatori, la rapida apparizione di una tensione d’arco significativa permette di minimizzare il buco di tensione in durata ed in ampiezza (rif. fig. 17).

Il fenomeno è dell’ordine di 5 ms e del 50% della tensione nominale

per correnti prossime alla corrente di repulsione dei contatti.

Per correnti più elevate, si arriva al 30% della tensione nominale ma con durata dell'ordine di 3 o 4 ms.

Più la Icc è elevata, più il buco di tensione è di breve durata.

Gli sganciatori di minima tensione eventualmente associati agli interruttori non risultano affetti da tali buchi di tensione.

Principio della selettività energetica L’energia specifica lasciata passare dall’interruttore che interviene sul guasto, risultando fortemente limitata, è insufficiente per sollecitare lo sgancio dell’interruttore a monte che rimane chiuso.

La selettività con i Compact NS

La gamma Compact NS, che

comprende le taglie 100-160-250-400- 630 A, con l’applicazione della selettività energetica permette di ottenere selettività parziale o selettività totale fino al potere di interruzione in funzione delle taglie degli interruttori e dei calibri degli sganciatori.

u_a u_r

i

U, I

a) interruttore non limitatore

u_r

t (ms)

10 20

u_a i

i

fig. 18: selettività totale tra gli interruttori Compact NS di taglia 100, 250 e 630A.