Dossier tecnico n 8. La selettività energetica in BT

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1 Dossier tecnico n 8 La selettività energetica in BT

2 La selettività energetica in BT 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. 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 Allegato 1: richiami 14 sull interruzione con limitazione 7. Allegato 2: lessico 15 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. 8 1

3 La selettività energetica in BT 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 B I g circola attraverso C 1,, C 3, C 4. fig. 1: diversi interruttori sono interessati dal guasto g. I g 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 cortocircuiti). In questo caso, la selettività tra interruttori è determinata molto semplicemente dall apertura o dalla non apertura di diversi interruttori (rif. fig. 2). A C 1 C 3 C 4 2 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

4 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. 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 C 1 è superiore al tempo massimo di interruzione dell interruttore (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. t i zona di selettività dei sovraccarichi C 1 Lo studio di selettività è diverso a seconda del tipo di guasto. sovraccarichi corto-circuiti Ip I LR2 I LR1 I ist2 fig. 3: selettività rispetto ai sovraccarichi C 1 C 1 a): apertura di C 1 e. non selettività: energia non disponibile per le partenze sane. b): apertura di, C 1 rimane chiuso selettività: continuità di servizio per le partenze sane. fig. 2: comportamento degli interruttori in caso di guasto. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 3

5 La selettività energetica in BT 2. Le tecniche di selettività in caso di corto-circuiti 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 C 1 e di e quanto più il punto di guasto è lontano da (I cc debole < I ist di C 1 ). 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, 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 C 1 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 cortocircuito presunta è elevata, più essi sono rapidi. In conseguenza di ciò la scelta di un interruttore limitatore a valle permette di ottenere una selettività pseudocronometrica 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). t i C 1 limite di selettività ai corto-circuiti I ist2 fig. 4: selettività amperometrica t i C 1 I ist1 t i C1 : rapido limitatore C 1 : rapido Nota: l impiego su C1 di uno sganciatore a corto ritardo dipendente (punteggiata) favorisce la selettività. fig. 6: selettività pseudo-cronometrica. zona di selettività ai corto-circuiti Nota: l impiego di uno sganciatore istantaneo ad alta soglia SAS determina il limite di selettività. fig. 5: selettività cronometrica I SAS1 Ip : rapido C 1 : selettivo con gradini di corto ritardo limite di tenuta termica dell'impianto e/o dell'interruttore I CR Ip Ip 4 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

6 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 rapido, un interruttore C 1 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., 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. C 1 A B i 1 u 1 i 2 u 2 i 3 u 3 guasto in A i 1 u 1 guasto in B 26 kâ C 1 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 C 1 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. C 1 fig. 8: selettività logica. relé logico ordine d'attesa logica relé logico 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 cortocircuito 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. i 2 u 2 i 3 34 kâ circuito interessato origine dell'impianto BT tipo di selettività logica cronometrica "SELLIM" pseudo- cronometrica tipo di interruttore selettivo logico u 3 3,5 ms 12 ms distribuzione di potenza selettivo rapido limitatore SELLIM rapido fig. 7: selettività SELLIM (C 1 = Compact C250 L SB = Compact C101 N). distribuzione terminale rapido limitatore fig. 9: esempio di impiego dei diversi tipi di selettività. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 5

7 La selettività energetica in BT 3. La selettività energetica 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 I 2 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 I 2 t = f (I p ) invece di t i = f (I p ), (rif. fig. 10). È interessante notare che la norma IEC prevede la caratterizzazione degli interruttori in funzione di questi tipi di curve. Per maggiore praticità, la curva I 2 t = f (I p ) è rappresentata in un sistema di coordinate bilogaritmiche. Per lo studio di selettività, i limiti dell I 2 t di interruzione (E s degli interruttori) si posizionano tra 10 4 e 10 7 A 2 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 2 p t per t < 10 ms (3) E s = 4 f 2 I 2 p t 3 vi oppure (4) 3 î Es = 4 2 fi p Partendo da queste equazioni è possibile arricchire il sistema di assi I 2 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 ). I 2. t (A 2. s) t (s) LR 10 In CR1 CR2 10 In 15 In30 In fig. 10: curve t i = f (I p ) e I 2 t = f (I p ) di un interruttore equipaggiato con uno sganciatore elettronico. Ip (A) IST Ip (A) 6 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

8 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. Ι 2. t (A 2. s) ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms 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: 10 6 î = 40 ka (2) E s = I 2 p ; t = da 9 a 4 ms traduce il comportamento dell interruttore in limitazione: (3) E s = I 2 p t 3 vi î = 20 ka Rette delle correnti di cresta Analogamente, a partire dalla relazione (4) 3 î Es = 4 2 fi p 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 I 2 t di interruzione La caratteristica di I 2 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) fig. 11: quadro di rappresentazione delle energie. Ι 2. t (A 2. s) î = 5 ka (B) fig. 12: curva di interruzione di un interruttore limitatore. A C D 40 ms 20 ms 10 ms (E) 7 ms î = 5 ka 5 ms (10 Ιn) î = 10 ka Ip (ka) î = 40 ka F î = 20 ka î = 10 ka Ip (ka) MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 7

9 La selettività energetica in BT 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 cortocircuito 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); I 2 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 cortocircuiti. Il suo tempo di intervento è inferiore a 50 ms in corrispondenza della sua soglia di funzionamento (situata generalmente tra 5 e 10 volte Ι 2. t (A 2. s) ms 20 ms 10 ms î = 5 ka (10 In) fig. 13: curve di diversi sganciatori magnetici. SAS ritardo fisso 20 ms (CR) 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 (I 2 t) risultante da una corrente elevata deve essere limitata, è necessario l intervento dello SAS (rif. fig. 13). 7 ms 5 ms ritardo variabile (CRD) istantaneo (IST) î = 40 ka î = 20 ka î = 10 ka Ip (ka) 8 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

10 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 I 2 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: fig. 14: esempio di associazione di curve di sganciatori elettronici. fase 1 in guasto pressione P 1 pressione P 2 e P 3 Ι 2. t (A 2. s) fig. 15: principio dello sganciatore a pressione. ritardo 40 ms (CR) 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 (I 2 t costante) che sta alla base della selettività energetica realizzata con gli interruttori limitatori Compact NS. 40 ms 20 ms 10 ms P 1 P 2 P 3 unità di interruzione MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 9 ritardo 10ms (IST) 7 ms (10 In) 5 ms î = 5 ka 100 î = 40 ka î = 20 ka î = 10 ka Ip (ka) valvole pistone

11 La selettività energetica in BT 4. La selettività energetica ed i suoi vantaggi 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 I 2 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 I 2 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 I 2 t è di A 2 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. Ι 2. t (A 2. s) CR 40 ms CR 10 ms 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); 40 ms 20 ms 10 ms 7 ms sganciatore a pressione 5 ms î = 40 ka î = 20 ka î = 10 ka î = 5 ka Ip (ka) fig. 16: curve di associazione di sganciatori (elettromagnetico e pressione o elettronico e pressione. 10 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

12 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 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. Selettività totale La figura 18 dà un esempio di selettività totale fino a 100 ka su tre livelli con interruttori di taglia 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. u r i u a Ι 2. t (A 2. s) ms 20 ms 10 ms 7 ms 5 ms a) interruttore non limitatore U, I i 10 i u a t (ms) 20 magnetico 100 A 10 6 ST 160 ST 200 ST 250 ST 400 ST 500 ST A 630 A 250 A 250 A interruzione î = 40 ka non sgancio interruzione non sgancio î = 20 ka u r b) interruttore fortemente limitatore U, I A 100 A interruzione non sgancio î = 10 ka i l u a u r t (ms) î = 5 ka ST ST 200 e ST 250 : sganciatori elettronici utilizzati con interruttori di taglia 250A. ST ST ST 630 : sganciatori elettronici utilizzati con interruttori di taglia 630A. Ip (ka) fig. 17: il buco di tensione sulla rete dipende dal tipo di interruttore impiegato. fig. 18: selettività totale tra gli interruttori Compact NS di taglia 100, 250 e 630A. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 11

13 La selettività energetica in BT Selettività parziale Se la regola pratica enunciata precedentemente non è rispettata, la selettività diventa parziale. La figura 19 mostra che, tra un interruttore di taglia 160 A ed un interruttore di taglia 250 A equipaggiato con uno sganciatore di calibro 250 A, la selettività è assicurata fino ad una corrente di corto-circuito presunta di A. Questo limite è comunque più elevato di quello ottenuto con i corrispondenti dispositivi della precedente serie Compact C. Filiazione con i Compact NS Come si ricorderà, il principio della filiazione, il ricorso alla quale è ammesso dalla norma CEI 64-8, consente all interruttore a monte di aiutare l interruttore a valle ad interrompere correnti di corto-circuito elevate; questo, come è doveroso precisare, a scapito della selettività (salvo che con il sistema SELLIM). Per i Compact NS, la filiazione non compromette la selettività totale e parziale precedentemente descritte. Invece, un Compact NS di adeguato potere di interruzione può sempre aiutare un interruttore a valle di diverso tipo, il cui potere di interruzione fosse insufficiente. Associazione con i dispositivi di protezione tradizionali Interruttori standard In un impianto esistente, gli interruttori fortemente limitatori Compact NS possono essere utilizzati per un ampliamento della rete o per la sostituzione di un interruttore esistente senza peggiorare il limite di selettività raggiunto precedentemente. In effetti, se il nuovo interruttore è: in posizione a valle, il forte potere di limitazione del nuovo apparecchio non può che migliorare il limite di selettività, il quale può anche diventare totale (rif. fig. 20); in posizione a monte, il limite di selettività è almeno uguale al valore precedente, mentre il forte potere di limitazione dell interruttore Compact NS rinforza eventualmente la filiazione. Fusibili Le curve I 2 t = f (I p ) fornite dai costruttori dei fusibili riguardano: l energia specifica necessaria alla fusione (prearco), l energia specifica che attraversa il fusibile durante l interruzione. Perché si abbia selettività tra un interruttore posizionato a monte ed un fusibile, lo sganciatore di questo interruttore non deve essere sensibile alla somma di queste energie. Ι 2. t (A 2. s) A ( 8 In) 250 A (10 In) 40 ms 20 ms 10 ms î = 5 ka fig. 19: selettività parziale tra interruttori Compact NS, 250A e 160A. Ι 2. t (A 2. s) magnético 630 A î = 5 ka 10 4 Ip (ka) fig. 20: la sostituzione di un interruttore Compact NS C250 N, H o L con un Compact NS consente una migliore selettività. Nel caso di questo esempio, essa diventa totale. 7 ms limite di selettività 40 ms 20 ms 10 ms 50 N 5 ms 7 ms H 50 L NS 250 î = 40 ka interruzione 160 A non sgancio 250A î = 20 ka 5 ms Ip (ka) î = 40 ka non sgancio î = 20 ka î = 10 ka 12 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

14 5. Conclusioni L intervento degli interruttori fortemente limitatori è tanto più rapido quanto più è elevata la corrente di guasto presunta. Osservando semplici regole, questi apparecchi consentono di ottenere una selettività totale su diversi livelli. Ciò, anche senza fare ricorso alla selettività cronometrica. Si tratta di un importante innovazione tecnica che permette di: semplificare considerevolmente gli studi di selettività, minimizzare gli sforzi elettrodinamici, le sollecitazioni termiche ed i buchi di tensione derivanti dai corto-circuiti. Questo nuovo principio di selettività, detta energetica, è stato messo a punto grazie al perfetto controllo dell energia specifica lasciata passare dagli interruttori durante l interruzione e della sensibilità degli sganciatori a questa stessa energia. Lo sfruttamento pratico di questo principio contribuisce sensibilmente al miglioramento della disponibilità dell energia elettrica. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 13

15 La selettività energetica in BT 6. Allegato 1: richiami sull interruzione con limitazione La figura 21 mostra l andamento delle correnti e delle tensioni corrispondenti al fenomeno della limitazione in un semiperiodo. La legge che regola l evoluzione della corrente di corto-circuito limitata (i l ) è: U,i Ur Ua di/dt o U U r i L di L di r a = + dt dt nell istante iniziale del corto circuito, U a è nulla i l e i p sono uguali ed hanno la medesima pendenza; quando U a è uguale a U r, i l passa per il suo massimo î l poiché la sua derivata è nulla; quando U a è superiore a U r, i l decresce e si annulla al tempo t i. Si è constatato che l onda di corrente limitata è equivalente ad una sinusoide di periodo uguale a due volte il tempo virtuale di interruzione (t vi ). Con queste informazioni, diventa agevole determinare l energia dissipata nelle impedenze del circuito. Questa energia, denominata energia specifica di interruzione può essere semplicemente espressa come: E = i dt Essendo i l una funzione sinusoidale si ha: È interessante esprimere E s in funzione di I p e della durata (t vi ) dell'interruzione: t vi 10 ms. Questa durata corrisponde ad una corrente di guasto debole, quindi i contatti dell'interruttore non si respingono; non c'è tensione d'arco quindi: i = i e î = 2 I l s t vi 2 l E = î t 2 s l vi p (1) l'espressione (1) diventa: 2 E = I t (2) s p l p t vi < 10 ms. L'interruttore limita la corrente di guasto. I l e i p hanno la medesima pendenza all'origine, quindi: di dt con t vi î l i r = ω I 2 = ω î p ' ω si ottiene: π = tvi t ω I 2 = π î vi p l da cui: î = t 2 f I 2 l vi p oppure îl = 2 fi 2 p ' l i l 0 t r t ^ a t t vi t i T/2 U a : tensione d arco ^ t : istante di î I U r : tensione di rete t a : istante di comparsa dell arco i p : corrente presunta t i : tempo di interruzione i I : corrente interrotta (limitata) t r : istante di repulsione dei contatti î I : corrente massima interrotta t vi : tempo virtuale di interruzione i r : corrente di repulsione dei contatti ω : pulsazione dell onda interrotta fig. 21: interruzione con limitazione. Se dall'espressione (1) si ricava: î E = t 2 2 s l vi si ottiene: 2 E t vi s da cui: Sempre a partire da (1), ma riferendosi a î l si ottiene: ( vi p ) = t 2 f I 2 2 E = f I t t E s p vi vi s (3) 2 Es îl = = 2 î 2 fi 2 l i p 3 îl = 4 2 fi p p (4) Le espressioni (3) e (4) permettono di tracciare le rette dei tempi e delle correnti di cresta. t 14 MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8

16 7. Allegato 2: lessico E s Energia specifica (per unità di resistenza) lasciata passare dal dispositivo di protezione durante l'interruzione, essa è caratterizzata da 2 2 il dt I ti i l Corrente di corto circuito che attraversa effettivamente l interruttore in conseguenza della limitazione (la corrente interrotta è inferiore a Ip). I p Corrente di corto-circuito presunta che si svilupperebbe in assenza di dispositivi di protezione (valore efficace). I r Corrisponde alla regolazione della protezione contro i sovraccarichi. t i Tempo effettivo di interruzione (estinzione dell arco). Attuatore Dispositivo che realizza un azione meccanica. Calibro Corrisponde alla regolazione massima dello sganciatore. Filiazione Tecnica che, grazie alla limitazione effettuata dall'interruttore a monte, consente a valle l'impiego di interruttori aventi potere di interruzione inferiore alla corrente di guasto presunta nel loro punto di installazione (vedere il Dossier Tecnico n 2). Interruttore limitatore Interruttore che, interrompendo una corrente di corto-circuito, limita la corrente ad un valore nettamente inferiore alla corrente presunta I p. Interruttore selettivo Interruttore equipaggiato con un dispositivo di ritardo intenzionale (selettività cronometrica) per l'intervento sulle correnti di cortocircuito. Selettività parziale La selettività è parziale quando essa è assicurata solo fino ad un certo valore della corrente di corto-circuito presunta I p. Selettività totale La selettività è totale quando essa è assicurata per qualsiasi valore della corrente di corto-circuito presunta I p. Sganciatore istantaneo (IST) Sganciatore che non possiede alcun dispositivo di ritardo intenzionale ed il cui intervento si verifica a partire da correnti pari a qualche multiplo di In (protezione contro i corto-circuiti). Sganciatore istantaneo ad alta soglia (SAS) Sganciatore istantaneo previsto per limitare le sollecitazioni termiche su corto-circuito. Sganciatore lungo ritardo (LR) Sganciatore che possiede un dispositivo di ritardo intenzionale di alcuni secondi (protezione contro i sovraccarichi). Sganciatore ritardato o corto ritardo (CR) Sganciatore che possiede un dispositivo di ritardo intenzionale da qualche decina a qualche centinaio di millesecondi. Se il ritardo diminuisce quando I p aumenta, si parla di corto ritardo dipendente (CRD). Taglia Corrisponde alla corrente nominale degli interruttori; es.: taglia 160A, 250A, 630A, 800A... UT Unità di trattamento elettronico. MERLIN GERIN - Dossier Tecnico n 8 15

17 Schneider Electric S.p.A AGRATE (MI) Italia Tel Fax In ragione dell evoluzione delle Norme e dei materiali, le caratteristiche riportate nei testi e nelle illustrazioni del presente documento si potranno ritenere impegnative solo dopo conferma da parte di Schneider Electric.