Il fusibile nella protezione contro le sovracorrenti in bassa tensione

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1 Il fusibile nella protezione contro le sovracorrenti in bassa tensione di Saveri Gianluigi 1. Generalità Un apparecchiatura elettrica in condizioni di normale funzionamento (condizioni specificate dai dati di targa) assorbe una corrente che viene definita corrente nominale. Alcune apparecchiature elettriche, a seconda dell impiego, funzionano però ad una potenza variabile, con un assorbimento di corrente anch esso variabile. Ogni qualvolta una di queste apparecchiature assorbe un valore di corrente maggiore di quello nominale si dice che funziona in regime di sovracorrente. Un tale funzionamento si manifesta con sovracorrenti riconducibili fondamentalmente a due casi: sovracorrenti dovute a sovraccarichi Sono correnti tipiche di un circuito elettricamente sano percorso da correnti che possono raggiungere le 6-8 volte la corrente nominale, sopportabili per un tempo determinato perché producono sollecitazioni termiche. Un sovraccarico non controllato può evolvere rapidamente in un cortocircuito e quindi dovranno essere adottate delle protezioni che intervengano in tempi tanto più brevi quanto maggiore è l entità del sovraccarico. sovracorrenti dovute a guasti o corto circuiti Si verificano in un circuito elettricamente guasto a causa di un contatto, di impedenza nulla tra due parti in tensione, che esclude la parte di impianto a valle del guasto. La corrente aumenta molto rapidamente sottoponendo il circuito a sollecitazioni termiche e a sforzi elettrodinamici e provocando archi elettrici che possono essere causa di innesco d incendio o di esplosioni. Poiché gli effetti di un corto circuito si manifestano in tempi brevissimi il guasto deve essere eliminato quasi istantaneamente. Un dispositivo particolarmente efficace nella protezione contro le sovracorrenti è il fusibile.. Protezione contro le sovracorrenti mediante fusibili I fusibili non godono di grandi simpatie tra gli addetti ai lavori anche se possiedono, accanto a pochi difetti, numerosi pregi. Negli impianti di bassa tensione il campo di impiego è estremamente vasto. Possono essere impiegati come dispositivi di protezione contro le sovracorrenti oppure, associati ad altri dispositivi, come sistemi di protezione per particolari necessità come, ad esempio, nelle apparecchiature di marcia e arresto dei motori. Rispetto alla protezione mediante interruttori automatici presentano alcuni aspetti negativi: - non assicurano, in caso di intervento, l'interruzione contemporanea di tutte le fasi del circuito creando, nei sistemi trifase, una situazione di funzionamento bifase che potrebbe danneggiare i motori (anche se esistono relè termici differenziali che risolvono egregiamente il problema); - sono richiesti tempi di ripristino del circuito relativamente elevati. Tutto sommato, come vedremo, gli aspetti negativi sono di gran lunga inferiori rispetto a quelli positivi. 1

2 .1 Protezione dal sovraccarico I criteri generali da seguire nel coordinamento tra dispositivo di protezione contro il sovraccarico e conduttura sono indicati dalla norma CEI 64-8 che richiede siano verificate le seguenti condizioni (fig..1): I? I? I (.1) b n Z I? 1, 45 (.) f I Z Dove: - I b, corrente di impiego del circuito; - I z, portata del cavo ; - I f, corrente convenzionale di sicuro intervento del dispositivo di protezione; - I n, corrente nominale del dispositivo di protezione. Fig..1 Condizione di massimo sfruttamento del cavo secondo la norma CEI 64-8 Secondo le norme CEI 3-1 la I f dei fusibili, corrente convenzionale di sicuro intervento della protezione, è legata alla corrente nominale per mezzo di un coefficiente k che vale: k? I I f n? 1,6 Da cui: I? 1, 6 f I n

3 Considerando le due condizioni stabilite dalla 64-8 sostituendo I f nella. si ottiene: 1,45 1,6I n? 1,45I Z ; I n? I Z ; I n? 0, 9I 1,6 Z La protezione da sovraccarico mediante fusibile è soddisfatta scegliendo un fusibile avente corrente nominale non superiore a 0,9 volte la portata I z della conduttura e non inferiore alla corrente di impiego I b : I? I? 0, 9I b n Z Come si può notare l uso dei fusibili comporta una sotto utilizzazione del cavo rispetto agli interruttori automatici per i quali il rapporto tra la corrente convenzionale di sicuro intervento I f e la corrente nominale I n vale rispettivamente 1,45 per quelli ad uso domestico e 1,3 per quelli ad uso industriale. Il cavo protetto mediante fusibili, infatti, non può essere impiegato alla sua massima portata bensì ad una portata ridotta del 10%, dovendo essere la corrente di impiego I b non superiore alla corrente nominale del fusibile onde evitarne la fusione indesiderata (fig..). Da non dimenticare però che le norme prescrivono per i fusibili prove alla corrente I f a freddo, cioè a temperatura ambiente, diversamente dagli interruttori automatici che sono provati a caldo, cioè dopo una verifica alla corrente nominale. Se i fusibili fossero provati con le stesse modalità il rapporto k tra corrente convenzionale di fusione e corrente nominale sarebbe addirittura minore. Fig.. Esempio di confronto tra interruttori automatici e fusibili nella protezione contro il sovraccarico. Protezione dal cortocircuito Se qualche svantaggio rispetto agli interruttori automatici si evidenzia nella protezione contro i sovraccarichi nessun dubbio può sorgere per quanto riguarda l impiego dei fusibili nella protezione contro i cortocircuiti. Il fusibile possiede, infatti, sia un elevato potere di interruzione sia ottime caratteristiche di limitazione. Il 3

4 tempo di intervento estremamente rapido limita la corrente di cortocircuito a valori inferiori alla corrente di cortocircuito presunta nel suo punto di installazione e l energia specifica passante decresce rapidamente all aumentare della corrente di cortocircuito, essendo il fusibile un dispositivo intrinsecamente limitatore (fig..3). Fig..3 Il fusibile limita la corrente di cortocircuito a valori notevolmente inferiori a quella presunta nel suo punto di installazione Questa capacità limitatrice riduce notevolmente le sollecitazioni termiche ed elettrodinamiche cui sono soggetti i componenti dell impianto a valle, permettendone il dimensionamento per correnti di cortocircuito inferiori a quelle teoriche. Queste particolari caratteristiche del fusibile sono ben valorizzate quando viene impiegato nella costruzione dei quadri elettrici per i quali le norme CEI ammettono l esenzione dalla verifica alla tenuta al cortocircuito se hanno correnti nominali ammissibili di breve durata o correnti nominali di cortocircuito condizionate non superiori a 10 ka o se sono protetti da dispositivi limitatori di corrente aventi una corrente di picco limitata non eccedente a 15 ka in corrispondenza del loro potere nominale. Analoghi vantaggi derivanti dalla limitazione dell energia specifica passante si hanno nel dimensionamento al cortocircuito dei cavi in bassa tensione. La norma CEI 64-8 stabilisce che nei confronti del cortocircuito la sezione minima di una conduttura deve essere calcolata in base alla seguente formula: I t S? (.3) K dove: I t è l energia specifica lasciata passare dal dispositivo di protezione e K un coefficiente che dipende dal materiale conduttore e dal materiale isolante. La tabella.1 fornisce, in funzione dell I t massimo stabilito 4

5 dalla norma CEI 3-1 (tab..), alcuni esempi di sezioni minime di cavi in PVC (K=115) dimensionati al cortocircuito. Corrente di impiego Sezioni del cavo dimensionate in portata Fusibile 3 I b ( mm ) I Z ( mm ) S ( mm ) I n (A) t ( A s? 10 ) I MAX 1,8 Sezioni del cavo dimensionate al cortocircuito S? I t ( mm ) K 0, ,0 0, ,0 0, , ,49 Tab..1 Esempi di sezioni minime di cavi in PVC dimensionati al cortocircuito confrontati con sezioni di cavi dimensionati in portata Le sezioni così ottenute dimostrano che in nessun caso, qualunque sia la corrente teorica di cortocircuito, per soddisfare il dimensionamento al cortocircuito del cavo è necessario aumentare la sezione del cavo rispetto a quella nominale del circuito. Situazione che può presentarsi impiegando dispositivi di protezione non limitatori quando si è in presenza di elevate correnti di cortocircuito presunte. Corrente nominale I n per cartucce gg (A) I t minimo (A sx10 3) 0,3 0,5 1,0 1,8 3,0 5,0 9, I t massimo (A sx10 3) 1,0 1,8 3,0 5,0 9,

6 Tab.. Valori dell I t di prearco a 0,01 s per cartucce gg secondo la norma CEI 3-1 Interessante si presenta a questo punto il confronto dei fusibili, di cui in tabella. sono riportati i valori dell I t di prearco a 0,01 s per cartucce di tipo gg secondo la norma CEI 3-1, con gli interruttori automatici limitatori dei quali si riportano nella tabella.3 i valori massimi di I t stabiliti dalla norma CEI 3-3. Potere nominale di cortocircuito Classi di energia limitata 1 3 I t max(a s) I t max(a s) I t max(a s) I n ka Tipo B-C Tipo B Tipo C Tipo B Tipo C 3 Nessun limite specificato ? 16A ? 16A ? 3A Tab..3 Valori massimi di I t lasciato passare da interruttori con corrente nominale fino a 3 A. La norma CEI 3-3 suddivide tali apparecchi per classi di limitazione (classe 1, classe e classe 3) e indica per ognuna di queste il massimo valore di energia specifica passante in condizioni di cortocircuito. Nella figura.3 sono confrontate le sezioni minime di cavi in PVC calcolate al cortocircuito per alcuni casi, introducendo nella.3 i valori di I t massimi stabiliti dalle norme, quando i cavi sono protetti rispettivamente da un fusibile o da un interruttore automatico conforme alle norme CEI 3-3 di tipo C con potere di interruzione di 6kA (tab..3). 6

7 Fig..3 Sezioni minime di cavi in PVC calcolate al cortocircuito in funzione dei valori di I t massimi definiti dalla norma CEI 3-1 per i fusibili e dalla norma CEI 3-3 per gli interruttori ad uso civile o similare. Come si può notare, in tutti i casi presi in esame, la sezione minima calcolata nel caso del fusibile è notevolmente inferiore a quella calcolata quando si impiega un interruttore automatico. Quando il fusibile viene utilizzato per la sola protezione da cortocircuito occorre verificare il comportamento alla corrente di cortocircuito minima per guasti in fondo alla linea che potrebbero non essere sufficienti a farlo intervenire in tempi accettabili per il cavo (fig..4). Fig..4 Quando il fusibile assicura la sola protezione da cortocircuito occorre verificare la corrente di cortocircuito minima in fondo alla linea Se il fusibile protegge anche contro i sovraccarichi è possibile non effettuare tale verifica in quanto si assume che le condizioni di cui sopra siano automaticamente soddisfatte (fig..5). 7

8 Fig..5 Quando il fusibile assicura anche la protezione da sovraccarico il cavo è sempre protetto 3. Coordinamento con avviatori per motori asincroni Uno degli impieghi più frequenti dei fusibili è quello della protezione dei motori asincroni trifase con un apparecchiatura combinata fusibili am e relè termico associato a contattore. Il coordinamento è verificato quando: - il fusibile interviene per tutte le correnti superiori al potere di interruzione del contattore; - la corrente di scambio tra contattore e fusibile deve essere superiore alla corrente di spunto del motore; - l energia specifica passante deve essere sopportata da tutti i componenti installati a valle; - la caratteristica di sovraccarico del fusibile deve essere coordinata con il relè termico onde evitargli sollecitazioni non accettabili. 4. Coordinamento con apparecchi di manovra e protezione Per ottenere un economico ma altrettanto valido dispositivo di protezione che svolga gli stessi compiti di un interruttore automatico è sufficiente associare un interruttore di manovra sezionatore a dei fusibili (unico difetto rispetto agli interruttori automatici gli elevati tempi necessari al ripristino). Il coordinamento può essere gestito solo in base alle indicazioni del costruttore assicurandosi che i fusibili proteggano l interruttore di manovra-sezionatore dalle sollecitazioni dovute all energia specifica passante. In particolare occorre verificare che: 8

9 - il tempo di interruzione del fusibile in corrispondenza del valore di corrente di breve durata dell interruttore sia inferiore a quello sopportabile dall interruttore stesso; - il valore di cresta della corrente limitata dal fusibile, nel momento in cui è massima la corrente di cortocircuito presunta, sia minore del potere nominale di chiusura dell interruttore. 5. Coordinamento con interruttori automatici In alcuni casi in cui le correnti di cortocircuito presunte possono raggiungere valori molto elevati può essere conveniente ricorrere alla combinazione fusibili interruttore automatico. Il fusibile funge da sostegno interrompendo le correnti che superano determinati valori lasciando invece all interruttore l unico compito di arrestare tutte le correnti inferiori. Questo permette di utilizzare interruttori automatici con poteri di interruzione nominale inferiori alla corrente di cortocircuito massima. La combinazione deve essere opportunamente coordinata seguendo le indicazioni del costruttore ed in particolare verificando che siano soddisfatte le seguenti condizioni (fig. 5.1): - l intervento dei due dispositivi deve essere selettivo per correnti inferiori alla corrente di scambio; - l energia specifica lasciata passare prima dell intervento del fusibile deve essere inferiore a quella sopportabile dal cavo e dall interruttore; - la curva di intervento del fusibile deve intercettare la curva di intervento dell interruttore (corrente di scambio) ad un valore di corrente inferiore al potere di interruzione nominale dell interruttore; - la corrente di cresta limitata dal fusibile relativamente alla massima corrente di cortocircuito presunta non deve essere superiore al potere nominale di chiusura dell interruttore. Fig. 5.1 Coordinamento tra fusibili e interruttori automatici per la protezione contro il cortocircuito. 9

10 6. Selettività Secondo la norma CEI 3-1, la selettività fra fusibili di tipo gg è garantita quando il rapporto fra le correnti nominali di due fusibili in serie è uguale a 1,6. Per raggiungere lo scopo è sufficiente saltare una grandezza nella serie unificata tra un fusibile e quello che segue ed ottenere in modo estremamente semplice la selettività nella distribuzione in bassa tensione. 7. Conclusioni Il fusibile di bassa tensione permette una selettività semplice e sicura, limita ottimamente l I t, possiede elevatissimi poteri di interruzione nei confronti della corrente di cortocircuito e soprattutto, nonostante le elevate prestazioni e la grande affidabilità, costa poco. Tutto ciò dovrebbe bastare a sfatare tutte le leggende metropolitane che sono sorte attorno al povero e umile fusibile e a permettergli di entrare a pieno titolo a far parte degli impianti di pregio con la stessa dignità di tutti gli altri dispositivi che hanno fin qui goduto di ben diversa fortuna. 10

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