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Cortocircuiti

L’articolo 533.3 “Scelta dei dispositivi di protezione” (Parte 5 della norma CEI 64-8) è costituito di sole due righe.
Semplicemente si rimanda all’applicazione delle prescrizioni del Capitolo 43 (Parte 4) e si dice che, per durata dei cortocircuiti sino a 5 s, l’applicazione di tali prescrizioni deve tener conto delle correnti minime e massime di cortocircuito.
Tutto qui, ma nella parte commento sono riportate due formule, molto utili nella pratica impiantistica, per determinare la corrente minima presunta di cortocircuito. Prima di vedere di cosa si tratta, chiariamo il “mistero” dei 5 s.
E’ evidente che per proteggere le condutture dal cortocircuito è necessario che l’energia specifica, responsabile dei fenomeni termici distruttivi, lasciata passare dal dispositivo di protezione sia inferiore a quella che le condutture stesse sono in grado di sopportare.
L’energia specifica è data dall’integrale del quadrato della corrente di cortocircuito nel tempo.
Oltre alla difficoltà del calcolo integrale c’è quella di determinare l’andamento della corrente durante il cortocircuito.
Ma se il riscaldamento dei conduttori avviene senza scambio di calore con l’esterno (si dice adiabatico), agli effetti pratici non serve calcolare l’integrale. La norma ha stabilito che il riscaldamento si può considerare adiabatico se la durata del cortocircuito inferiore a 5 s.
In questo caso il tempo necessario affinchè una corrente di cortocircuito porti i conduttori dalla temperatura massima ammissibile in servizio ordinario alla temperatura limite può essere calcolata dalla formula:

t = K² x S² / I²

dove: t è il tempo di intervento del dispositivo di protezione [s]; S è la sezione del conduttore [mm2]; I è il valore efficace della corrente di cortocircuito [A]; K è un parametro che dipende dalle caratteristiche dell’isolante.
Da cui la “famosa” condizione per cui l’energia specifica lasciata passare dal dispositivo per la durata del cortocircuito I2t (Integrale di Joule) deve essere minore o uguale a K2S2.

Le due formule
Torniamo all’art. 533.3 e alle due formule per calcolare la correnre minima di cortocircuito. Innanzitutto, si ricorda che la corrente minima di cortocircuito deve essere calcolata nel punto più lontano della conduttura protetta per un cortocircuito che si realizza tra fase e neutro o tra due fasi nel caso in cui il neutro non viene distribuito.
Se l’impianto è alimentato da più sorgenti non in parallelo, si deve prendere in considerazione solo la sorgente corrispondente alla corrente di cortocircuito minima.

Figura 1(a sinistra): Valore della corrente minima di cortocircuito tra fase e fase.
Figura 2 (a destra): Valore della corrente minima di cortocircuito tra fase e neutro.

La prima formula è valida quando il neutro non è distribuito, la seconda quando è distribuito e il guasto avviene tra fase e neutro. In entrambi i casi le formule suppongono un aumento del 50% della resistenza del circuito rispetto al valore a 20 °C, dovuto al riscaldamento dei conduttori causato dalla corrente di cortocircuito. Inoltre si tiene conto di una riduzione all’80% della tensione di alimentazione, per effetto della corrente di cortocircuito, rispetto alla tensione nominale di alimentazione. Se si conosce il valore dell’impedenza del circuito a monte, il coefficiente 0,8, che compare in entrambe le formule, deve essere sostituito dal valore effettivo.

Neutro non distribuito
Quando il conduttore di neutro non è distribuito il valore della corrente minima di cortocircuito può essere calcolato con la formula riportata in figura 1, dove:
U = tensione concatenata di alimentazione [V];
r = resistività a 20 °C del materiale dei conduttori [W · mm2/m], 0,018 per il rame, 0,027 per l’alluminio;
L = lunghezza della conduttura protetta [m];
S = sezione del conduttore [mm2];
I = corrente di cortocircuito presunta [A].

Neutro distribuito
Quando il conduttore di neutro è distribuito il valore della corrente minima di cortocircuito può essere calcolato con la formula riportata in figura 2, dove:
Uo è la tensione di alimentazione; m è il rapporto tra la resistenza del conduttore di neutro e la resistenza del conduttore di fase (nel caso essi siano costituiti dallo stesso materiale, esso è uguale al rapporto tra la sezione del conduttore di fase e quella del conduttore di neutro).
r, L, S, I hanno lo stesso significato della formula per il neutro non distribuito.

Scelta della protezione
In pratica, per realizzare una corretta protezione contro il cortocircuito occorre conoscere l’energia specifica (I2t) lasciata passare dal dispositivo di protezione e quella sopportabile dalla conduttura. L’iquadratoti del dispositivo è specificata dal costruttore che ne fornisce la curva caratteristica e la curva di intervento.
Anche l’energia specifica sopportabile dal cavo può essere dichiarata dal costruttore oppure può essere calcolata dai valori di K riportati nella norma CEI 64-8 Tabella 52D “Massime temperature di funzionamento dei materiali isolanti” e Tabella 54E
“Valori di K per conduttori di protezione nudi quando non esistono pericoli di danneggiamento di materiali vicini per effetto della temperatura: qo = 30° C”.
Nella figura 5 si vede il confronto, che deve essere fatto fra la caratteristica dell’energia specifica lasciata passare da un interruttore automatico e quella sopportata da una conduttura, nei due punti critici: all’inizio (Iccmax) ed in fondo (Iccmin) alla linea da proteggere.
La corrente di cortocircuito che si produce per un guasto all’estremità della conduttura, ossia il più lontano dal punto di alimentazione (Iccmin) non deve essere inferiore a Ia (valore della corrente in corrispondenza del primo punto di intersezione tra la caratteristica del dispositivo e quella del cavo), mentre la corrente di cortocircuito che si produce per un guasto all’inizio della conduttura (Iccmax) non deve essere superiore a Ib (valore della corrente in corrispondenza del secondo punto di intersezione tra la caratteristica del dispositivo e quella del cavo).

SGANCIATORE O RELÈ MAGNETICO Caratteristica a “tempo indipendente”
Gli effetti di un cortocircuito consistono in un surriscaldamento dei conduttori e in sollecitazioni di natura elettrodinamica ( attrazioni e repulsioni tra conduttori con forze di elevata intensità): questi effetti possono portare al danneggiamento delle apparecchiature e dei conduttori attraversati dalla corrente di guasto, se il corto circuito non è adeguatamente interrotto. La corrente di cortocircuito deve essere estinta in tempi molto brevi, indipendentemente dal valore di detta corrente, per evitare danni irreversibili sull’impianto. Per questo motivo l’interruzione è generalmente affidata ad uno sganciatore o relè magnetico di tipo “a tempo indipendente”, il cui intervento è appunto approssimativamente indipendente dal valore della corrente di attivazione. Inoltre, sempre nell’intento di ridurre gli effetti del corto circuito, si utilizzano dispositivi del tipo “limitatore” i quali interrompono la corrente prima che raggiunga il valore massimo: si riduce così sia l’intensità di corrente sia il tempo di circolazione della stessa, e quindi l’energia associata al guasto.

Ing. Riccardo Minelli

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