Glossario di Elettrotecnica e norme CEI Lettera I

Sommario:

Interruttore differenziale

L'interruttore differenziale è un dispositivo di protezione che determina l'interruzione automatica dell'alimentazione qualora rilevi il passaggio di una corrente verso terra superiore ad una data soglia. La soglia prende il nome di corrente differenziale nominale di intervento e viene indicata con Idn ; valori tipici di Idn sono : 10mA , 30mA , 100mA , 300mA e 500mA o maggiori per i differenziali industriali di tipo regolabile . 

Esiste poi un parametro , detto corrente differenziale nominale di NON intervento e indicato con Idno , al di sotto del quale è garantita la continuità dell'alimentazione. Solitamente Idno è pari alla metà di Idn e il coordinamento della Idn e della Idno di diversi interruttori differenziali collegati in serie è utilizzato per la selettività fra gli stessi , che garantisce la continuità di servizio in rami del circuito non interessati dal guasto.

Illustriamo il funzionamento del differenziale per il caso di un interruttore bipolare ( carico monofase ) , che è costituito , in ultima analisi , da un toroide , tre bobine e uno sganciatore , a sua volta costituito da un relé di sgancio e da un meccanismo di apertura : a ciascun conduttore che va verso il carico è collegata in serie una bobina ed entrambe le bobine sono avvolte su uno stesso toroide ; vi è poi una terza bobina collegata al relé di sgancio : finché le correnti sui due conduttori del carico sono identiche i campi magnetici generati sono uguali e contrari e il flusso magnetico circolante nel toroide è nullo. Quando vi è una differenza fra le due correnti , sul toroide ( detto anche trasformatore toroidale ) circola un flusso magnetico , che a sua volta induce una forza elettromotrice sulla bobina del relé , che comanda lo sganciamento dell'interruttore.

Gli interruttori differenziali possono essere classificati in base a diversi criteri :

1) focalizzando l'attenzione sulla forma d'onda delle correnti differenziali rilevabili distinguiamo fra:
1a) interruttori differenziali di tipo AC , se sono in grado di rilevare solo correnti differenziali verso terra sinusoidali
1b) interruttori differenziali di tipo A , se sono in grado di rilevare anche correnti differenziali verso terra pulsanti unidirezionali
1c) interruttori differenziali di tipo B , se sono in grado di rilevare anche correnti differenziali verso terra continue.
La scelta fra interruttori di classe AC , A , B va effettuata dal progettista dell'impianto elettrico in base alle correnti di dispersione che si prevedono per l'utenza da proteggere. Se il carico prevede la presenza di circuiti elettronici che fanno uso di raddrizzatori , chopper , inverter, la corrente di guasto può essere non sinusoidale ( o sinusoidale ad una frequenza diversa dai 50-60Hz per cui sono predisposti molti degli interruttori AC commerciali ) ed è bene ricorrere ad interruttori di classe A o , meglio ancora , di classe B.

2) focalizzando l'attenzione sul valore della soglia di corrente , distinguiamo fra:
2a) interruttori differenziali ad alta sensibilità , se la corrente differenziale nominale di intervento è inferiore a 30mA
2c) interruttori differenziali a bassa sensibilità , se la Idn è superiore a 30mA
Gli interruttori a bassa sensibilità , per prevenire opportunamente i rischi da contatti indiretti , debbono essere opportunamente coordinati con l'impianto di terra ( deve essere soddisfatta la relazione Rt*Idn<=50 nei sistemi TT e Zs*Idn<=Uo nei sistemi T-N ) , mentre gli interruttori ad alta sensibilità funzionano correttamente anche con resistenze di terra relativamente alte. Se si prende ad esempio una Idn=10mA , anche con tempi di interruzione di 2 secondi ci si trova nella zona n.2 fra quelle specificate dalla norma CEI 64-8 per la pericolosità della corrente alternata a 50Hz. La zona 2 non presenta effetti fisiologici pericolosi per l'uomo , in quanto sotto la soglia di tetanizzazione.

3) focalizzando l'attenzione sulla selettività degli interruttori differenziali , distinguiamo fra:
3a) interruttori differenziali di tipo generale , che intervengono in tempi relativamente rapidi perché la corrente di guasto e il tempo di intervento determinino punti (t,I) che si trovano nelle zone meno pericolose di quelle stabilite dalla CEI 64-8
3b) interruttori differenziali selettivi , che intervengono entro un tempo di ritardo fisso , per essere collegati a monte di altri differenziali del tipo 3a) ed assicurare la continuità di servizio delle parti di impianto non interessate dal guasto ( selettività )
3c) interruttori differenziali ritardati , in cui invece il tempo di ritardo è regolabile , sempre per assicurare la selettività. Questo genere di interruttori può essere utilizato solo in ambito industriale , perché la regolazione deve essere eseguita da persone esperte (PES) .

Spieghiamo il concetto di selettività con un esempio : supponiamo di avere in un piccolo ufficio , a causa di un guasto verso terra nel circuito utilizzatore di una presa , una corrente di dispersione verso terra di 50 mA . Se l'interruttore generale dell'ufficio è dotato di un unico interruttore generale differenziale magnetotermico ad alta sensibilità con Idn=30 mA , questo guasto causerà l'interruzione di tutte le linee delle utenze dell'ufficio ( luce , prese , riscaldamento , ecc )  con gli inevitabili disagi del caso . Se invece ogni linea è dotata di un proprio interruttore differenziale ad alta sensibilità da 30 mA , mentre magari l'interruttore generale posto a valle del contatore è un interruttore selettivo , l'interruzione riguarderà la sola linea della presa interessata dal guasto.

Riferimenti normativi sugli interruttori differenziali :

CEI 64-8 Art.432 CEI 23-18

Libri per approfondire il gli interruttori differenziali :

Manuale degli impianti elettrici. Guida al progetto, all'installazione ed al collaudo degli impianti elettrici in B.T.
Autori: Massimo Baronio, Gianni Bellato, Mario Montalbetti.
Editore: Delfino

Interruttore magnetotermico

L'interruttore magnetotermico è un dispositivo che , combinando l'azione di due diversi meccanismi ( sganciatore termico e sganciatore magnetico ) permette la protezione della porzione di impianto elettrico a valle dal corto-circuito e dal sovraccarico . Entrambi i fenomeni vanno sotto il nome di "sovracorrenti" , che possono compromettere l'integrità delle condutture e degli apparecchi utilizzatori , ma vanno trattati in maniera completamente diversa : il corto-circuito presuppone un guasto e va interrotto sempre e in tempi brevissimi , perché le correnti in gioco sono tali da produrre effetti termici e meccanici pericolosi quasi istantanei ; il sovraccarico può invece manifestarsi anche in un circuito elettricamente sano ( ad esempio a causa della corrente di spunto di un motore elettrico ) e l'entità degli effetti dannosi sulla conduttura dipende dal tempo per cui la corrente supera la portata Iz della stessa.
Pertanto lo sganciatore magnetico , che apre l'interruttore in caso di corto-circuito , agisce se la corrente supera una determinata soglia Im ( massima corrente ) a prescindere dal tempo per cui questa si presenta ; la sua curva caratteristica di intervento tempo-corrente è quindi una retta orizzontale ( fig. 1 ) e infatti viene anche detto sganciatore di massima corrente a tempo indipendente. Lo sganciatore termico , invece , allo scopo di lasciar passare le sovracorrenti "funzionali" ( dovute cioè al normale funzionamento dell'apparecchiatura elettrica a valle ) e interrompere le sovracorrenti "anomale" ha una curva caratteristica di intervento tempo-corrente di tipo iperbolico e viene infatti detto sganciatore di massima corrente a tempo inverso ( fig. 2 ) . In questo modo le correnti di poco superiori a quella nominale vengono permesse anche per tempi lunghi ( la retta verticale 1,05*In viene detta "corrente di non intervento" perché può essere tollerata per 1 ora nei magnetotermici con In>63A e per oltre 2 ore nei magnetotermici con In<63A ) , mentre le correnti via via crescenti saranno tollerate per tempi via via inferiori . La combinazione di queste due curve costituisce la curva di intervento del magnetotermico.

Come per gli interruttori differenziali , anche per gli interruttori magnetotermici la classificazione può avvenire in base a diversi criteri. Un primo criterio considera le tecnologie costruttive ( che determinano l'entità della corrente nominale e del potere di interruzione (Icn) e , quindi , il tipo di impiego ) e distingue fra :
1a) Interruttori magnetotermici modulari , impiegati per lo più nel civile e nel terziario , con correnti In fino al centinaio di A e potere di interruzione fino ai 50kA . Devono il loro nome alla misura standard del loro ingombro ( moduli DIN ) su apposite barre profilate di fissaggio ( barre DIN ).
2a) Interruttori magnetotermici scatolati , impiegati quasi esclusivamente in ambito industriale , di dimensioni relativamente ridotte per le correnti nominali ( fino ai 2000 A ) ed il potere di interruzione ( fino a 150kA ) che li caratterizza. L'elevato potere di interruzione è legato al livello di isolamento e segregazione loro conferito dal supporto in materiale plastico , da cui traggono il nome.
3a) Interruttori magnetotermici aperti , impiegati nelle linee MT e a valle di trasformatori MT/BT , con correnti nominali fino a 10.000 A e potere d'interruzione fino a 100kA.
Un secondo criterio distingue gli interruttori in base al tempo di interruzione dello sganciatore magnetico :
1b) Interruttori magnetotermici limitatori , in cui l'interruzione viene anticipata rispetto al passaggio per lo zero della forma d'onda sinusoidale della corrente alternata ; in questo modo si impedisce alla corrente di corto-circuito di raggiungere il valore di cresta ( per cui non si parla di corrente di corto-circuito ma di corrente presunta ) , limitandone gli effetti dannosi.
2b) Interruttori magnetotermici rapidi , in cui l'interruzione avviene al primo o al secondo passaggio per lo zero della corrente di corto-circuito ;
3b) Interruttori selettivi o ritardati , in cui il tempo di intervento viene volutamente ritardato per permettere la selettività cronometrica con interruttori magnetotermici istantanei posti a valle.

Un terzo criterio distingue infine gli interruttori magnetotermici in base alla corrente di intervento del relé magnetico . La classificazione è definita da due norme : la norma CEI 23-3 ( nota anche come CEI EN 60898 ) per gli interruttori da utilizzare in impianti domestici e similari ( anche uffici , alberghi e terziario ) , con corrente nominale inferiore a 125 A , mentre la norma CEI 17-5 ( nota anche come CEI EN 60947-2 ) tratta gli interruttori magnetotermici ad uso industriale.

La classificazione delle curve di intervento dei magnetotermici secondo la CEI EN 60898 è la seguente :

1c) se la soglia di intervento per corto-circuito è compresa fra 3*In e 5*In si parla di interruttore magnetotermico di tipo B ;
2c) se la soglia di intervento per corto-circuito è compresa fra 5*In e 10*In si parla di interruttore megnetotermico di tipo C ;
3c) se la soglia di intervento per corto-circuito è compresa fra 10*In e 20*In si parla di interruttore magnetotermico di tipo D ;

La norma CEI EN 60947-2 , invece , oltre alle curve B , C , D ( i cui range di intervento vengono leggermente ristretti rispetto alla CEI EN 60898 ) anche le curve K , Z e AM :

1d) il range di intervento dei magnetotermici tipo B viene definita come 4*In +/- 20% cioè tra 3.2*In e 4.8*In 
2d) il range di intervento dei magnetotermici tipo C viene definita come 8*In +/- 20% cioè tra 6.4*In e 9.6*In 
3d) il range di intervento dei magnetotermici tipo D viene definita come 12*In +/- 20% cioè tra 9.6*In e 14.4*In 
4d) il range di intervento dei magnetotermici di tipo Z viene definita tra 2.4*In e 3.6*In 
4e) il range di intervento di tipo AM viene definita 12*In +/- 20% come per la curva D , ma senza l'intervento della termica 
4f) il range di intervento dei magnetotermici di tipo K viene definita come 12*In +/- 20% come nel tipo D , ma con una diversa forma della curva di intervento : il tipo K si differenzia dal tipo D per la corrente di funzionamento If = 1.2*In . Nel tipo D invece si ha If = 1.3*In .

Come si può notare , addentrandosi nei dettagli degli interruttori automatici industriali , le nozioni iniziano ad essere molto specifiche e specialistiche e per distinguere due diversi tipi di interruttori bisogna conoscere i grafici delle curve di intervento. Tanto che molti interruttori industriali sono regolabili attraverso opportuni parametri per ottenere una curva piuttosto che un'altra.

Quello che interessa l'utente medio sono i campi di applicazione di questi interruttori , che riportiamo di seguito :

- Gli interruttori automatici di tipo B sono utilizzati a protezione di generatori, persone e cavi di notevole lunghezza 
- Gli interruttori automatici di tipo C sono i più diffusi e vengono utilizzati a protezione di carichi di tipo classico
- Gli interruttori automatici di tipo D sono utilizzati a protezione di carichi con forti correnti di spunto , come i magnetotermici di tipo K
- Gli interruttori automatici di tipo Z sono quelli che tollerano il minor sovraccarico e quindi vengono utilizzati a protezione di circuiti elettronici
- Gli interruttori automatici con curva MA sono infine a protezione di motori , senza protezione termica .

Riferimenti normativi sugli interruttori magnetotermici:

CEI 64-8 , art. 433 e 434

Libri per approfondire gli interruttori magnetotermici:

La progettazione degli impianti elettrici in bassa tensione. Guida alla progettazione e all'installazione secondo le norme tecniche CEI e UNI
Autore: Marco Montanari
Editore: EPC

Perché nel bel mezzo delle nostre faccende domestiche ci troviamo senza corrente elettrica per l'intervento di un interruttore ? Questo articolo ha carattere divulgativo e il suo intento è spiegarlo ai neofiti e a chi non ha conoscenze di elettrotecnica e impianti elettrici .  

Iniziamo col dire che i meccanismi di intervento degli interruttori sono di tre tipologie e ciascun meccanismo interviene per una causa diversa : i meccanismi sono la protezione termica , la protezione magnetica e la protezione differenziale ; le cause di intervento sono rispettivamente il sovraccarico , il cortocircuito e guasto verso terra ( o dispersione verso terra ).

I due meccanismi termico e magnetico sono ormai quasi sempre raccolti in un unico interruttore , detto appunto interruttore magnetotermico ; l'intervento differenziale può invece essere deputato a un interruttore singolo ( interruttore differenziale , volgarmente detto salvavita ) che può essere accoppiato sulla barra DIN del quadro elettrico al magnetotermico ( dando luogo all'interruttore magnetotermico-differenziale ) oppure essere prodotto direttamente in fabbrica con tutti e tre i meccanismi di protezione.

Figura : un esempio di differenziale privo di magnetotermico , ma predisposto per essere accoppiato ad un magnetotermico 

Vediamo nel dettaglio questi tre meccanismi di protezione , associandoli alle cause che ne determinano l'intervento :

1) la protezione termica interviene in caso di sovraccarico. E' la classica situazione che capita quando si superano i 3kW perché si collegano contemporaneamente forno , lavatrice e lavastoviglie e interviene l'interruttore automatico sul quadro elettrico o sul contatore . In questo articolo di approfondimento viene spiegato il concetto di selettività : in un impianto ben progettato con scelta di interruttori di diverse correnti nominali e tipologie , non dovrebbe intervenire l'interruttore generale o addirittura il magnetotermico del contatore ENEL , ma viene scollegata solo la linea delle prese in cui sono collegati questi elettrodomestici ( spesso chiamata linea FM , Forza Motrice ) .

Se il sovraccarico persistesse per troppo tempo , senza venire interrotto nei tempi opportuni , potrebbero intervenire fenomeni di surriscaldamento per effetto Joule dei cavi , delle prese e di altri componenti dell'impianto elettrico dimensionati per correnti inferiori a quella di sovraccarico , con rischio di danni e soprattutto di principi di incendio. L'intervento non è comunque immediato e la curva di intervento della protezione termica determina per quanto tempo una certa corrente di sovraccarico può essere tollerata. In generale :

- più è alta la corrente di sovraccarico e prima interviene la protezione , più lieve è il sovraccarico e più tardi interviene la protezione ;
- conoscere i tempi di tolleranza del sovraccarico permette di scegliere interruttori più o meno "reattivi" nell'intervenire. Ci sono infatti diverse curve di intervento , che determinano diverse tipologie di magnetotermici : la curva C è la più comune , la curva B è quella che determina tempi di intervento inferiori , la curva D è quella che determina tempi di intervento maggiori , da utilizzare quando si è a conoscenza di carichi che prevedono sovraccarichi "fisiologici" che non determinano malfunzionamenti e surriscaldamenti pericolosi ( il caso più immediato sono i motori e tutti i carichi di tipo induttivo che prevedono una fase di spunto all'avvio ).

2) molto inferiori sono invece i tempi di intervento della protezione magnetica , perché diversa è la causa : un cortocircuito deve essere interrotto nel minor tempo possibile. A differenziare gli interruttori magnetotermici rispetto al cortocircuito è il potere di interruzione , che possiamo intuitivamente spiegare come la corrente di cortocircuito per cui l'interruttore garantisce l'apertura del cortocircuito ( per una definizione più tecnica di potere di interruzione vedere l'articolo di approfondimento ) . La corrente che si verifica in caso di cortocircuito dipende dalla distanza dal trasformatore MT/BT e dalla potenza di tale trasformatore ( in caso di impianti alimentati da gruppi elettrogeni o da impianti fotovoltaico dipende dalle caratteristiche dalla fonte di energia ) : in ambito civile valori tipici dei poteri di interruzione sono 4.5 kA o 6 kA , solo in caso di abitazioni molto vicine alla cabina di trasformazione dell'ente distributore può essere necessario ricorrere a interruttori magnetotermici da 10 kA.

3) la protezione differenziale , infine , interviene in caso di correnti di guasto verso terra cioè correnti di dispersione verso terra. Queste correnti possono far assumere tensioni pericolose a masse metalliche , mettendo a rischio la vita di eventuali persone che dovessero toccare queste masse . Compito del salvavita è quindi è interrompere questi guasti entro sensibilità di tempo e corrente che non siano pericolosi per il corpo umano ( per approfondire la pericolosità della corrente elettrica per l'uomo suggeriamo questo articolo ) : valori tipici della corrente differenziale nei salvavita domestici sono 30mA e 10mA ( più è bassa questa corrente e più il differenziale si dice ad alta sensibilità ) .