Interruttori Automatici con Dispositivo di Protezione a Microprocessore

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1 Interruttori Automatici con Dispositivo di Protezione a Microprocessore Introduzione Nella progettazione di un impianto elettrico si deve sempre partire dal presupposto che, anche con una corretta scelta dei componenti del circuito di potenza e degli schemi di comando e di controllo, non è possibile escludere in modo certo l eventualità di guasti conseguenti a difetti, eventi accidentali od errori umani. Nel complesso degli accorgimenti che possono essere adottati per limitare i danni all impianto ed ai suoi componenti, la tempestiva interruzione del circuito guasto per mezzo del sistema di protezione svolge un ruolo determinante. Gli interruttori automatici di bassa tensione rappresentano un preciso punto di riferimento per l impiantista elettrico. Le caratteristiche di affidabilità, insieme al miglioramento delle prestazioni, hanno fatto degli interruttori automatici apparecchi di protezione dei circuiti di potenza a bassa tensione pressochè insostituibili. Il progettista di impianti elettrici, oltre ad apprezzare la già citata affidabilità aveva imparato nel tempo a farne un uso corretto, basato su caratteristiche tecniche da tempo consolidate e quindi ben conosciute. Negli ultimi anni alcune innovazioni tecnologiche hanno aperto nuove prospettive nell applicazione impiantistica degli interruttori automatici di bassa tensione. In estrema sintesi si può dire che le nuove possibilità di applicazione sono legate all introduzione e allo sviluppo della tecnica di interruzione con limitazione della corrente, alla miniaturizzazione degli organi di interruzione ed allo sviluppo delle protezioni elettroniche

2 Sistema di protezione Il sistema di protezione di un impianto elettrico di distribuzione è chiamato a svolgere essenzialmente le seguenti funzioni: - togliere dal servizio la parte di impianto in cui si è manifestato il guasto nel piú breve tempo possibile, per ridurre al minimo l estensione e l entità del danno conseguente al guasto stesso; - mantenere in servizio, con il minimo disturbo possibile per l esercizio, la parte dell impianto non interessata direttamente dal guasto. E opportuno ricordare che un sistema di protezione è costituito essenzialmente di due parti: - una unità intelligente (dispositivo di protezione), - una unità di manovra (interruttore). L unità intelligente misura i parametri del sistema che si vogliono tenere sotto controllo (corrente, tensione, ecc.) e confronta le quantità misurate con le quantità di riferimento (soglie di regolazione). Quando le quantità misurate sono minori (in alcuni casi maggiori) delle quantità di riferimento, l unità intelligente considera il sistema normale e quindi non agisce. In caso contrario essa opera in modo da provocare l intervento (apertura) dell unità di manovra. Indipendentemente da quelle che sono le specifiche funzioni che sono chiamati a svolgere, i dispositivi di protezione devono soddisfare ad una serie di requisiti, i principali dei quali sono: - Sensibilità: i dispositivi di protezione devono disporre di un campo di regolazione tale da garantire il loro funzionamento in qualsiasi configurazione possibile della rete e quindi anche nelle condizioni in cui le grandezze da controllare assumono, in condizioni di guasto, il valore minimo. - Selettività: i dispositivi di protezione devono essere in grado di operare una selezione tra i guasti che avvengono all interno della zona che essi sono chiamati a proteggere ed i guasti che stanno al di fuori della zona stessa. Questa caratteristica di intervento selettivo è realizzata, in alcuni casi, mediante un ritardo intenzionale dell intervento. Si ricorda che secondo la Norma CEI EN (CEI 17-5, quinta edizione): Apparecchiature a bassa tensione. Parte 2: interruttori automatici la categoria di utilizzazione di un interruttore deve essere stabilita a secondo che essa sia o non sia specificatamente intesa per ottenere la selettività per mezzo di ritardo intenzionale, rispetto ad altri dispositivi posti in serie sul lato carico, in condizioni di cortocircuito. La Norma definisce le seguenti categorie di utilizzazione: - A : interruttori non specificatamente previsti per la selettività, cioè senza ritardo intenzionale; - B : interruttori specificatamente previsti per la selettività, cioè con ritardo intenzionale. - Rapidità: i dispositivi di protezione devono intervenire nel piú breve tempo possibile, compatibilmente con il rispetto della selettività. La rapidità di intervento delle protezioni, oltre ad evitare il danneggiamento dei componenti interessati indirettamente dal guasto e ridurre l estensione e l entità del danno nei componenti interessati direttamente, può essere anche un requisito essenziale alla stabilità della rete, quando siano presenti macchine rotanti. - Precisione: è importante che i dispositivi di protezione conservino in modo stabile, durante la loro vita, le caratteristiche dichiarate e i valori di regolazione impostati

3 - Semplicità: i dispositivi di protezione devono essere di facile regolazione e applicazione e rientrare in uno schema il piú semplice possibile, per ridurre i rischi di malfunzionamento del sistema di protezione. - Affidabilità: i dispositivi di protezione devono dare la massima garanzia di comportamento corretto e cioè intervenire sicuramente e nel modo stabilito, anche dopo lunghi periodi di inattività, e non intervenire intempestivamente per cause estranee (quale, ad esempio, la presenza di armoniche con relativa distorsione dell onda sinusoidale), nelle condizioni ambientali e di esercizio previste. L affidabilità della protezione dipende dalla affidabilità intrinseca del dispositivo di protezione e dalla sua corretta applicazione e manutenzione

4 La scelta degli interruttori Nella progettazione di un impianto elettrico occorre avere ben presenti, in ogni fase di sviluppo del progetto, le complesse problematiche inerenti alle protezioni, in modo da realizzare un sistema di protezione pienamente coordinato e coerente con le esigenze dell impianto e dotato inoltre della flessibilità necessaria per adeguarsi agli sviluppi futuri. Tra i vari componenti dell impianto elettrico l interruttore automatico di bassa tensione svolge un ruolo di particolare importanza poichè ad esso vengono demandate le funzioni di manovra e di protezione dei circuiti. Per lo svolgimento di queste funzioni criteri di sicurezza generali ed esigenze di continuità di esercizio impongono di coordinare le caratteristiche degli interruttori automatici sia con quelle degli altri componenti dell impianto sia con quelle degli interruttori installati a monte e a valle. In occasione di cortocircuiti l interruttore è chiamato ad interrompere il circuito interessato dal guasto limitando al massimo i danni provocati dal guasto stesso. Tali danni, come noto, sono essenzialmente legati a fenomeni di natura termica ed elettrodinamica. I fenomeni di natura termica sono legati sia ai valori della corrente di guasto che alla loro durata (I²t), mentre i fenomeni di natura elettrodinamica riguardano sforzi meccanici indotti nei conduttori che sono funzione dei valori massimi delle correnti. Ne risulta che una drastica riduzione dei valori delle correnti di cortocircuito e delle loro durate assicurate da un rapido intervento degli interruttori automatici apporta a notevoli benefici all impianto a valle. Il fenomeno dell interruzione con limitazione della corrente ha consentito di ridurre le dimensioni degli interruttori pur consentendo di ottenere elevati poteri di interruzione. Studiando attentamente il fenomeno della limitazione e facendo uso del processo tecnologico della metallurgia e delle tecniche di assemblaggio è oggi possibile realizzare interruttori di dimensioni ridottissime che di conseguenza offrono notevoli vantaggi economici, ma che assicurano comunque elevate prestazioni. Nell ambito degli interruttori scatolati, la tecnologia Terasaki si riflette sul nuovo sistema Fast Break Meccanism (meccanismo ad interruzione rapida) applicato all intera serie di interruttori automatici TemBreak (Figura 1). Tale sistema permette di ottenere caratteristiche di interruzione di notevolissima efficacia. I suoi punti di forza sono: conduttori con sagomatura ad U, meccanica di interruzione con contatti a repulsione a doppio movimento, camere di interruzione speciali (Figura 2). Le prestazioni di interruzione degli interruttori automatici TemBreak danno luogo ad eccezionali caratteristiche di limitazione della corrente di guasto a tutt oggi mai raggiunte se non unicamente con interruttori limitatori puri (Figura 3). Della serie TemBreak fa parte una famiglia di interruttori scatolati con dispositivo di protezione a microprocessore a 8-bit che rappresenta una importantissima evoluzione per i sistemi elettrici in bassa tensione (Figura 4). Nell ambito degli interruttori aperti, tutti gli interruttori automatici della serie TemPower della Terasaki (Figura 5) sono dotati di dispositivo di protezione a microprocessore a 8-bit (Figura 6) e assicurano le caratteristiche di piena protezione necessarie a sistemi di distribuzione in bassa tensione, permettendo inoltre di raggiungere la massima affidabilità operativa. Gli interruttori TemBreak e TemPower con dispositivo di protezione a microprocessore sono caratterizzati da prestazioni particolarmente elevate in relazione alle dimensioni d ingombro ridotte

5 Interruttori scatolati TemBreak con dispositivo di protezione a microprocessore Terasaki Italia Srl Tutti gli interruttori automatici della serie TemBreak con dispositivo di protezione a microprocessore a 8-bit assicurano le caratteristiche di piena protezione necessarie a sistemi di distribuzione in bassa tensione, permettendo inoltre di raggiungere la massima affidabilità operativa. Insensibilità alle armoniche Le apparecchiature con controllo a semiconduttori installate nel sistema di distribuzione possono essere sorgenti di armoniche di corrente. Ciò può causare malfunzionamenti nelle altre apparecchiature inserite nel sistema. Il dispositivo di protezione a microprocessore installato sugli interruttori automatici TemBreak è progettato per individuare il vero valore efficace della corrente ciò significa che le armoniche di corrente sono per esso totalmente ininfluenti (Figura 7). Caratteristiche di protezione Le caratteristiche di protezione del dispositivo a microprocessore degli interruttori automatici TemBreak comprendono (Figura 4): - protezione per sovraccarico regolabile in corrente e tempo (per uso generale o per protezione generatori), - protezione per cortocircuito regolabile in corrente e tempo (per assicurare la selettività con interruttori o fusibili posti a valle), - protezione per intervento istantaneo regolabile in corrente, - protezione per guasto a terra regolabile in corrente e tempo, - allarme di pre-sgancio regolabile in corrente. E prevista la segnalazione dell intervento di ogni singola protezione mediante LEDs di sgancio (Figura 4). Regolazione delle protezioni sul relè a microprocessore 8-bit La corrente In è la corrente nominale dei TA (corrente nominale dell interruttore). La corrente base Io è il valore di corrente di riferimento per la regolazione dei valori di intervento delle protezioni. La corrente della protezione per sovraccarico I1 è regolabile a gradini scegliendo tra 15 possibili valori compresi tra il 50% ed il 100% della corrente nominale. Ciò si ottiene posizionando lo switch della corrente base su una delle tre posizioni 63, 80 e 100% della corrente nominale In e ruotando il trimmer della corrente I1 su una delle sue 5 posizioni (Figura 4). Queste regolazioni permettono il massimo grado di precisione nella scelta delle correnti con l obiettivo di un accurato coordinamento delle protezioni in tutto il sistema di bassa tensione. Protezione per sovraccarico, Long Time (tempo lungo dipendente): I1 = 0.80, 0.85, 0.90, 0.95, 1.00 x Io; T1 = 5, 10, 15, 20, 30s: il valore impostato è il tempo di intervento per un valore di corrente 6xI1. Protezione selettiva per cortocircuito, Short Time (tempo breve indipendente): I2 = 2, 4, 6, 8, 10 x Io; T2 = 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3s. E possibile inserire la caratteristica a rampa (I²t)=cost. per affinare al massimo il coordinamento con fusibili o interruttori scatolati magnetotermici (Figura 9). La caratteristica a rampa viene inserita portando il relativo commutatore in posizione ON; in questo caso T2(ON) risulta: T2(ON) = (I²t) / (I2)² = [(10xIo)² x T2] / (I2)²

6 Protezione istantanea per cortocircuito, Instantaneous: I3 = 3 12 x Io (regolabile con continuità). Protezione per guasto a terra, Ground Fault: Ig = x In (regolabile con continuità); Tg = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.8s Allarme di pre-sgancio, Pre Trip Alarm: Ip = 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 x I1 (il ritardo è di 40s). Garantisce l alimentazione dei carichi essenziali. La protezione segnala mediante un LED e un contatto ausiliario la rilevazione di un sovraccarico in atto. Il contatto ausiliario può essere utilizzato per aprire gli interruttori a valle che alimentano carichi non essenziali, oppure per avviare un gruppo di emergenza. Esempi di regolazione Esempio 1 In = 1600A Io = 1 x In = 1 x 1600 = 1600A I1 = 1 x Io = 1 x 1600 = 1600A; T1 = 5s, per una corrente di valore 9600A (6x1600A) I2 = 2 x Io = 2 x 1600 = 3200A; T2 = 0.1s Se viene inserita la caratteristica a rampa (ON): T2(ON) = (I²t) / (I2)² = [(10xIo)² x T2] / (I2)² = [(10x1600)² x 0,1] / 3200²; T2(ON) = 2,5s I3 = 12 x Io = 1 x 1600 = 19200A Ig = 0.1 x In = 0.1 x 1600 = 160A; Tg = 0.1s Ip = 0.9 x I1 = 0.9 x 1600 = 1440A (il ritardo è di 40s). Esempio 2 In = 1600A Io = 0,8 x In = 0,8 x 1600 = 1280A I1 = 0,8 x Io = 0,8 x 1280 = 1024A; T1 = 15s, per una corrente di valore 6144A (6x1024A) I2 = 8 x Io = 8 x 1280 = 10240A; T2 = 0.2s Se viene inserita la caratteristica a rampa (ON): T2(ON) = (I²t) / (I2)² = [(10xIo)² x T2] / (I2)² = [(10x1280)² x 0,2] / 10240²; T2(ON) = 0,3125s I3 = 10 x Io = 10 x 1280 = 12800A Ig = 0.3 x In = 0.3 x 1600 = 480A; Tg = 0.4s Ip = 0.9 x I1 = 0.9 x 1024 = 921.6A (il ritardo è di 40s). La conoscenza delle nuove possibilità offerte dagli interruttori di bassa tensione con relè di protezione a microprocessore consente al progettista di adottare soluzioni diverse dalle classiche introducendo nel contempo vantaggi in termini di sicurezza ma anche di economicità globale dell impianto

7 Interruttori aperti TemPower & AOR-1B dispositivo di protezione a microprocessore AOR-1B è il dispositivo di protezione a microprocessore, multifunzionale, della Terasaki montato sugli interruttori di tipo aperto TemPower (Figura 6). I dispositivi elettronici convenzionali sono sensibili al valore di picco della grandezza in esame. Di conseguenza sono soggetti a interventi intempestivi in presenza di distorsione armonica. I dispositivi a microprocessore eliminano tale inconveniente perché sensibili al vero valore efficace della forma d onda. AOR-1B è controllato da un microprocessore a 8-bit realizzato mediante la tecnologia dei circuiti integrati a doppia superficie e alta densità d integrazione, ottenendo in questo modo un aumento dell affidabilità e una riduzione delle dimensioni del dispositivo di protezione. Le funzioni di protezione, di segnalazione, di test, di misura, di autodiagnostica sono raggruppate in 25 diverse combinazioni per rispondere a qualsiasi esigenza impiantistica. I tipi base sono (Figura 9): - AOR-1BL - caratteristica tipo L per impiego generale; - AOR-1BM - caratteristica tipo M con intervento rapido su sovraccarico; - AOR-1BS - caratteristica tipo S per protezione generatori. Il tipo standard, di serie, è il dispositivo AOR-1BL-AL. Le regolazioni possibili permettono il massimo grado di precisione nella scelta delle correnti con l obiettivo di un accurato coordinamento delle protezioni in tutto il sistema di bassa tensione. Ict, in ampere, è la corrente primaria dei TA che alimentano il dispositivo di protezione: Ict = A. Io, in ampere, è la corrente base, valore di riferimento per le regolazioni delle protezioni: Io = Ict x (0,5-0,63-0,8-1). Protezione per sovraccarico: LTD (tempo lungo dipendente) - corrente I 1, in ampere: Io x (0,8 1,1) - NON - tempo T 1 : 0,5 30s La corrente I 1 è quindi regolabile dal 40% al 110% della corrente primaria dei TA Ict. Il valore T 1 impostato è il tempo di intervento per un valore di corrente 600% I 1. La protezione per sovraccarico è selezionabile con caratteristica a freddo o a caldo tramite un commutatore (COLD/HOT). La caratteristica di avviamento a caldo tiene conto delle reali condizioni di impiego. Protezione selettiva su cortocircuito: STD (tempo breve indipendente) Corrente I 2, in ampere: I 2 = Io x (1 10) - NON Tempo T 2 : ms La caratteristica a tempo di ritardo costante è adatta per il coordinamento selettivo con altri dispositivi a tempo di ritardo costante. E possibile inserire la caratteristica a rampa (I²t)=cost. per affinare al massimo il coordinamento con fusibili o interruttori magnetotermici. La caratteristica a rampa viene inserita portando il relativo commutatore in posizione ON

8 Protezione istantanea su cortocircuito: INST o MCR Corrente I 3, in ampere: I 3 = Io x (2 16) - NON Protegge dal cortocircuito senza introdurre alcun tempo di ritardo. Può essere attivata la protezione MCR che agisce solo in caso di cortocircuito che si presenti durante il ciclo di chiusura dell interruttore. Allarme di pre-sgancio: PRE-TRIP Corrente Ip, in ampere: Ip = Io x (0,75 1.1) Tempo Tp: s, per una corrente maggiore di Ip Garantisce l alimentazione dei carichi essenziali. La protezione segnala mediante un LED e un contatto ausiliario la rilevazione di un sovraccarico in atto, segnala quindi l imminente intervento della protezione per sovraccarico. Il contatto ausiliario può essere utilizzato per aprire gli interruttori a valle che alimentano carichi non essenziali, oppure per avviare un gruppo di emergenza. Protezione per guasto a terra: GFT Corrente I G, in ampere: I G = Ict x (0,1 0,4) Tempo T G : ms Protezione del neutro: Neutro Corrente I N, in ampere: I N = Ict x (0,2 1) Tempo T N : 0,5 30s, per una corrente I N x 600% Per interruttori quadripolari impiegati in sistemi di distribuzione trifase a quattro conduttori. L AOR-1BL-AL, il tipo standard, di serie, prevede le funzioni LTD, STD e INST. Ciascuna delle tre funzioni di protezione per sovracorrente può essere disattivata regolando il rispettivo trimmer di regolazione sulla posizione NON. Tutti i trimmer di regolazione delle correnti e dei tempi di ritardo sono del tipo a scatto, per una regolazione sicura e accurata. L indicazione di sgancio può essere del tipo a contatto singolo o a contatto individuale e LED. Questa seconda soluzione permette di discriminare il tipo di intervento del dispositivo di protezione. La sezione di Test permette di simulare le varie tipologie di guasto per un più efficace controllo delle regolazioni impostate. Una uscita analogica permette di poter visualizzare anche a distanza gli assorbimenti del carico. La conoscenza delle nuove possibilità offerte dagli interruttori di bassa tensione della Terasaki con relè di protezione a microprocessore consente al progettista di adottare soluzioni diverse dalle classiche introducendo nel contempo vantaggi in termini di sicurezza ma anche di economicità globale dell impianto

9 Conclusioni I costruttori di dispositivi di protezione lavorano costantemente per migliorare le prestazioni dei propri prodotti. Quelli piú sensibili alle esigenze del mercato, dunque degli impiantisti e degli utilizzatori finali, cercano di indirizzare i loro sforzi di miglioramento seguendo analisi di mercato che vengono effettuate su campioni di clientela. Un compito difficile che i costruttori si trovano ad affrontare è costituito dalla valutazione delle indicazioni immediate del mercato, ma soprattutto dalle proiezioni che necessariamente bisogna fare per queste valutazioni nel futuro a medio e lungo termine. I prodotti messi sul mercato possono apparire in alcuni casi inadeguati per eccesso per i bisogni dell impianto, solo perchè gli utilizzatori non hanno ancora avuto l opportunità di valutare a fondo le possibilità di impiego. E quanto è sempre avvenuto con le novità prodotte dalla tecnica, che spesso sono state accolte con un pò di freddezza dagli operatori del settore. Il passare del tempo e la migliore conoscenza dei prodotti, ha poi portato alla loro accettazione ed a volte ad impieghi che andavano ben oltre quei limiti che, al momento della presentazione al mercato, parevano essere invalicabili. Le recenti evoluzioni degli interruttori automatici di bassa tensione con dispositivo di protezione a microprocessore hanno aspetti che devono ancora essere pienamente recepiti dagli utilizzatori, inoltre molte delle loro prospettive di impiego devono essere ancora esplorate (specie per quanto riguarda l integrazione con i sistemi di controllo elettronici). In questa fase che potremmo dire interlocutoria tra il costruttore, che propone prodotti, e l impiantista, che realizza le prime significative applicazioni, è pensabile che si generino sinergie che potrebbero portare a nuovi criteri nella definizione e nella realizzazione degli impianti elettrici, oltre che a successive evoluzioni degli apparecchi. E auspicabile che tutto ciò avvenga nell interesse generale di tutti, cioè in modo tale da ottenere impianti complessivamente piú economici e soprattutto sempre piú sicuri. Bibliografia [1] Norma CEI EN : Apparecchiature a bassa tensione. Parte 2: Interruttori automatici. Settembre [2] O. Sangiorgio Nuove prospettive impiantistiche aperte dallo sviluppo tecnologico degli interruttori di bassa tensione Corso di aggiornamento: Problemi energetici nell autoproduzione e nell utilizzazione dell energia, Pavia, [3] A. Boggioni, M. Stiz, G. Vallino Costassa Scelta dei relè e dei sistemi integrati statici e a microprocessore. Scelta dei TA e dei TV - Giornate di studio: Progetto degli impianti elettrici di energia, Pavia, [4] Documentazione Tecnica Terasaki: TemBreak. [5] Documentazione Tecnica Terasaki: TemPower

10 Figura 1 Interruttore scatolato TemBreak della Terasaki. Terasaki Italia Srl

11 Figura 2 Il sistema Fast Break Meccanism applicato all intera serie degli interruttori automatici TemBreak della Terasaki. Conduttori a U Contatti a doppia repulsione Camere di interruzione speciali

12 Figura 3 Caratteristiche di limitazione degli interruttori automatici TemBreak della Terasaki. i I p t time t Riduzione del valore di picco e minimizzazione dello stress elettrodinamico sui conduttori. Riduzione dell energia passante e minimizzazione dello stress termico sui conduttori. Riduzione del tempo di interruzione e minimizzazione dei danni

13 Figura 4 Dispositivo di protezione a microprocessore 8-bit montato sugli interruttori automatici scatolati della serie TemBreak della Terasaki

14 Figura 5 Interruttore aperto TemPower della Terasaki. Terasaki Italia Srl

15 Figura 6 Terasaki Italia Srl Dispositivo di protezione a microprocessore 8-bir AOR-1BL-GS della Terasaki

16 Figura 7 Il funzionamento del dispositivo di protezione a microprocessore degli interruttori TemBreak della Terasaki non viene influenzato dalla presenza di armoniche

17 Figura 8 Esempio di coordinamento tra un interruttore scatolato magnetotermico (linea sottile rossa) e un interruttore con dispositivo di protezione a microprocessore con la caratteristica a rampa inserita per la protezione selettiva su cortocircuito (linea piena verde)

18 Figura 9 Scelta del tipo di dispositivo di protezione AOR-1B. Terasaki Italia Srl