Apparecchi di manovra e protezione: Cosa condiziona la scelta

Per l’ottimizzazione tecnico-economica di ogni impianto elettrico è indispensabile che le caratteristiche della rete di distribuzione e degli apparecchi utilizzatori siano correlate in modo adeguato con quelle delle apparecchiature di manovra e protezione.Nel seguito vengono richiamate sinteticamente le principali grandezze che intervengono nella correlazione tra l’impianto e gli apparecchi di manovra e protezione.
I più importanti fattori, tipici dell’impianto e fondamentali per la scelta delle apparecchiature di manovra e protezione, sono:- condizioni ambientali e funzione operativa cui l’impianto è destinato;- schema dei conduttori attivi e classificazione dei sistemi in base al modo di connessione a terra;- tensione e frequenza;- corrente di impiego del circuito;- corrente, in condizioni normali e transitorie, assorbita dai singoli utilizzatori;- portata nominale delle condutture nelle condizioni di riferimento e di impiego;- corrente di corto circuito;- integrale di Joule ammissibile dalle condutture;- criteri di protezione contro i contatti diretti ed indiretti;- esigenze di continuità di servizio.
Condizioni ambientali e funzione operativa cui l’impianto è destinatoLe condizioni ambientali dell’impianto, spesso in stretto legame con la funzione cui l’impianto è destinato, possono essere comuni a tutti i componenti elettrici che lo costituiscono o, più frequentemente, essere diverse per i vari sottosistemi.Mentre, ad esempio, la pressione atmosferica (legata alla quota sul livello del mare) può essere considerata, nella maggior parte dei casi, uguale in tutti i punti dell’impianto elettrico, l’esposizione ad atmosfere pericolose od inquinanti è normalmente ristretta ad aree ben delimitate.Talvolta può essere preferibile modificare artificialmente la situazione ambientale locale di un determinato componente (ad esempio con dispositivi di ventilazione o raffreddamento o, al limite e dove possibile, trasferendo l’apparecchio al di fuori di una zona pericolosa) piuttosto che forzare il componente stesso a lavorare in condizioni particolarmente gravose o con artifici costruttivi economicamente pesanti. Un parametro che sicuramente deve essere preso in considerazione con molta attenzione (oltre ai problemi legati agli ambienti con pericolo di incendio e di esplosione) è costituito dalla temperatura.

E’ necessario valutare correttamente l’effettiva condizione termica dell’ambiente, circostante l’apparecchiatura, che può essere fortemente influenzata dai contributi termici dei componenti circostanti.
Schema dei conduttori attivi e classificazione dei sistemi secondo il loro modo di connessione a terraIl sistema di distribuzione può essere:- in corrente alternata: monofase, trifase, con e senza neutro;
– in corrente continua.Con riferimento ai sistemi a corrente alternata ed in base al loro modo di collegamento a terra, questi, come noto, vengono classificati con due lettere che hanno il seguente significato:- prima lettera, situazione del sistema rispetto a terra: T= collegamento diretto a terra di un punto (in genere il neutro); I = isolamento da terra, oppure collegamento di un punto (in genere il neutro) a terra tramite una impedenza.- seconda lettera, situazione delle masse rispetto a terra: T= collegamento a terra; N= collegamento al punto del sistema collegato a terra.Si possono avere i sistemi TN, TT, IT.Il primo (Sistema TN) è utilizzato negli impianti con propria cabina di trasformazione, ai quali l’energia è fornita in media o alta tensione o con sola autoproduzione.Dà luogo all’interruzione del servizio al primo guasto a terra.In questo sistema la protezione contro i contatti indiretti viene usualmente effettuata tramite dispositivi di sovracorrente e non è quindi strettamente necessario un dispositivo di tipo differenziale per la sorveglianza o la protezione delle correnti verso terra. E’ bene quindi che la manutenzione sia effettuata da personale specializzato.Il secondo, sistema TT, è utilizzato negli impianti alimentati direttamente dalla rete di bassa tensione dell’impresa distributrice; non necessita di particolare manutenzione preventiva quando sia impiegata una protezione di tipo differenziale, come è usuale. Anche qui si ha l’interruzione del servizio al primo guasto.Da ultimo, il sistema IT, può permettere maggior continuità di servizio in quanto è consentito che, al primo guasto verso terra, non intervengano i dispositivi di protezione contro le sovracorrenti, che interverranno obbligatoriamente al secondo guasto.E’ però necessario il controllo permanente dell’isolamento dell’intera rete e la disponibilità di personale di manutenzione al fine di intervenire per eliminare il primo guasto; non sono inoltre ben definite le correnti di guasto fase-fase quando i “piedi di guasto” appartengano a circuiti diversi.
Tensione e frequenzaTensione e frequenza sono normalmente mantenute costanti entro limiti prefissati o limiti contrattuali nel caso di allacciamento ad una rete pubblica.Ciò è legato al fatto che gran parte degli utilizzatori e degli apparecchi elettrici sono adatti a funzionare solo per determinati valori di tensione e frequenza e possono al più tollerare piccole variazioni intorno ai valori prefissati.E’ noto infatti come, ad esempio, modeste sopraelevazioni di tensione sulla nominale possano ridurre notevolmente la vita di una lampada ad incandescenza; in modo analogo un contattore funzionerà correttamente solo per determinati valori di tensione e di frequenza.
Corrente di impiego del circuito (IB)E’ la corrente corrispondente alla massima potenza da trasmettere nel circuito, in regime permanente e in condizioni normali (escluse quindi le condizioni di sovraccarico e di corto circuito).Ai fini della sua influenza sul dispositivo di manovra e protezione da installare nel circuito, si possono distinguere due casi:a) dispositivo principale di linea (“arrivo”; dispositivo a di fig. 2 mostra figura – Schema unifilare con dispositivo di manovra-protezione: a) di arrivo; b) di partenza): la corrente si ricava considerando il valore della potenza nominale Sn.Tale potenza può essere quella del trasformatore o del generatore o quella disponibile contrattualmente (potenza impegnata) nel caso di alimentazione da impresa elettrocommerciale o ancora la potenza di dimensionamento nel caso di linea di alimentazione propria.b) dispositivo alla partenza delle derivazioni (“partenza”; dispositivo b di fig. 2 mostra figura – Schema unifilare con dispositivo di manovra-protezione: a) di arrivo; b) di partenza): la corrente di impiego si calcola con la formula citata utilizzando però la somma vettoriale delle potenze apparenti assorbite dagli utilizzatori allacciati.Per molti apparecchi utilizzatori la potenza assorbita non corrisponde a quella riportata in targa: per i motori trifasi, ad esempio, noti la potenza nominale Pn, il cosfì ed il rendimento (n), la corrente di impiego risulta:Per le lampade fluorescenti, invece, si deve tener conto, che a causa del reattore, la potenza assorbita (Pa) risulta maggiore della potenza di targa della lampada, ossia:
Pa = 1,2 ÷ 1,5 Pn
Spesso è necessario considerare che non tutti gli utilizzatori, installati funzionano alla piena potenza di targa. Ciò può essere, ad esempio, dovuto ad un sovradimensionamento della potenza nominale dei motori rispetto al carico meccanico allacciato, per standardizzare le potenze installate all’interno di un medesimo stabilimento. Per quanto sopra detto, si introdurrà, se necessario, un coefficiente di utilizzazione:Poiché inoltre non tutti gli apparecchi utilizzatori funzionano contemporaneamente, nel calcolo della corrente complessiva è lecito considerare il fattore di contemporaneità.Se la corrente di impiego complessiva non ha un valore costante nel tempo, si adotta il valore che, in regime, permanente produrrebbe gli stessi effetti termici.
Corrente di sovraccarico assorbita dai singoli utilizzatoriE’ una corrente di sovraccarico e quindi di valore superiore a quella d’impiego, che può verificarsi in seguito a utilizzo non corretto di impianti (carichi allacciati di potenza o in numero superiore al previsto) oppure conseguente alle caratteristiche di funzionamento di alcuni tipi di apparecchi utilizzatori.Lampade ad incandescenza, motori asincroni a gabbia, trasformatori, possono infatti dar luogo, all’atto dell’inserzione, a correnti fino a 10 volte quella nominale con durate che variano dai pochi millisecondi fino alle decine di secondi.
Portata nominale delle condutture nelle condizioni di riferimento e di impiegoE’ la massima corrente Iz che la conduttura può trasmettere in modo continuativo.Tale valore è legato alla massima temperatura che il conduttore può assumere, senza pregiudizio per la vita dell’isolante. La sovratemperatura rispetto all’ambiente, o meglio la temperatura massima ammissibile, dipende, a sua volta, dal materiale del conduttore, dalla sua sezione, dal materiale dell’isolante e dal tipo di posa.
Corrente di cortocircuitoLa corrente di corto circuito è dovuta ad un contatto di impedenza trascurabile tra parti del circuito che, in condizioni normali, presentano una differenza di potenziale.Viene generalmente calcolata supponendo un guasto franco fra conduttori attivi e viene specificata mediante:- valore della corrente di corto circuito presunta (Ifs16 cc), ossia corrente che si stabilirebbe nel circuito se il dispositivo di protezione contro il corto circuito, generalmente installato, venisse sostituito da conduttori di impedenza trascurabile;- fattore di potenza di corto circuito (cosfìcc);- valore della massima corrente di picco presunta (Iccp).Per circuiti trifasi si fa riferimento al guasto trifase, per quelli monofase e in corrente continua al guasto tra le due polarità.
Energia specificaIl passaggio della corrente elettrica in un qualsiasi circuito comporta sempre una perdita di energia sotto forma di calore per effetto Joule.L’entità di tale dissipazione di energia per una corrente costante di valore I è pari a:
Ec = R · I² · t
dove:R è la resistenza ohmica totale del circuito;t rappresenta la durata in secondi di applicazione della corrente al circuito.Quando la corrente del circuito è variabile, la formula sopra indicata per il calcolo dell’energia dissipata, valida per corrente costante, assume la forma di un integrale:equazioneIl termine “integrale di i² · dt” (indicato anche con la notazione I²t quando, come spesso avviene, si può ritenere il valore di corrente costante) assume la denominazione di “energia specifica passante” o di “integrale di “Joule” e indica l’energia dissipata in calore su un elemento di resistenza unitaria. Il concetto di energia specifica risulta particolarmente importante in quanto ogni dispositivo di protezione (interruttore magnetotermico o fusibile) in caso di corto circuito, prima di poter interrompere il circuito, lascia che la corrente di cortocircuito fluisca per un certo tempo t, per cui nei conduttori del circuito guasto viene dissipata l’energia I²t che si trasforma in calore. Quanto maggiore è il valore dell’I²t lasciato passare dal dispositivo di protezione tanto maggiore è la quantità di calore prodotto nei conduttori. Poiché per un guasto di breve durata il cavo non riesce a trasmettere tale calore all’ambiente, si può verificare un aumento di temperatura del conduttore in grado di compromettere l’integrità degli isolanti (rammollimento o riduzione inammissibile della durata di vita dell’isolante).
Protezione contro i contatti indirettiLa protezione contro i contatti indiretti consiste nel prendere le misure intese a proteggere le persone contro i danni derivanti dal contatto con una massa, o con parti conduttrici in contatto con una massa, in caso di cedimento dell’isolamento principale.In generale, la protezione contro i contatti indiretti può essere effettuata senza interruzione automatica del circuito o a mezzo d’interruzione automatica. Nel primo caso, senza interruzione automatica, la protezione può essere ottenuta, ad esempio, mediante:- l’impiego di componei di classe seconda, ossia componenti dotati di doppio isolamento o di isolamento rinforzato e non provvisti di alcun dispositivo per il collegamento ad un conduttore di protezione;- separazione elettrica, ad esempio con un trasformatore di isolamento o con una sorgente avente analoghe caratteristiche;- locali isolanti;- locali resi equipotenziali e non connessi a terra.
Esigenze di continuità di servizioIl problema di garantire l’affidabilità dell’alimentazione ad un utilizzatore richiede l’esame dei punti seguenti:- sorgente;- catena degli elementi costituenti il circuito;- selettività;- ridondanza;- ripristino.L’arresto intempestivo di un utilizzatore, il cui ruolo sia essenziale, può essere pericoloso per la sicurezza delle persone o delle cose o, ancora, essere causa di danni economici rilevanti.La filosofia di progettazione degli impianti elettrici può essere condizionata dalla necessità di assicurare la continuità di servizio. Si analizzerà nel seguito il solo problema dell’intervento selettivo delle protezioni.Una installazione si definisce selettiva allorquando, in caso di guasto, viene interrotto solamente il circuito utilizzatore sede del guasto, mentre i restanti circuiti utilizzatori continuano ad essere regolarmente in servizio.La selettività tra due apparecchi 1 e 2 disposti come in figura 3 (mostra figura – Esempi di selettività tra due dispositivi di protezione: a) totale; b) parziale) risulta:- totale, se 2 è selettivo con 1 fino al valore massimo della corrente di corto circuito Icc, corrispondente al caso di un cortocircuito immediatamente a valle di 2 (fig. 3a);- parziale, se 2 è selettivo con 1 fino al valore di corrente di corto circuito che si verifica nel caso, più probabile in pratica, di un corto circuito a valle della conduttura protetta (fig. 3b).La continuità d’esercizio tale da richiedere la selettività totale può, in generale, essere necessaria solo su alcuni tratti di conduttura detti prioritari e per determinati utilizzatori “preferenziali” o gruppi di utenza privilegiata.E’ appena il caso di osservare che per un corto circuito subito a valle di 2 la tensione sul sistema di barre assume valore nullo e pertanto molti utilizzatori allacciati saranno soggetti, per la durata del corto circuito, a un funzionamento anomalo (contattori, motori etc.). Pertanto al riapparire della tensione, dopo l’intervento dell’interruttore in 2:- molti utilizzatori potranno essere disattivati (quelli alimentati da contattori non provvisti di aggancio meccanico);- le linee potranno essere soggette a forti sovraccarichi dovuti al riavviamento o riaccelerazione contemporanea dei motori (con possibile intervento per sovraccarico delle protezioni di linea);- si potrà avere la perdita di passo di eventuali motori sincroni allacciati.Per quanto ora visto sarà opportuno far ricorso, per quanto possibile a mezzi preventivi atti a rendere poco probabile il corto circuito e, nel caso di selettività cronometrica, non eccedere con temporizzazioni eccessive.E’ ancora opportuno osservare come il corto circuito franco immediatamente a valle dell’interruttore 2 sia un evento generalmente raro durante l’esercizio dell’impianto.Le probabilità di un tale evento sono maggiori:- durante la messa in servizio ed il collaudo per non escludibili errori di cablaggio (ma in tale fase non è necessaria la continuità di esercizio);- all’estremità della conduttura protetta per la numerosità di derivazioni.In questo caso però l’impedenza della conduttura ridurrà il livello di corto circuito e anche la selettività parziale potrà dare buone garanzie di continuità di servizio.