10.6        Interruttore automatico

10.6.1  Generalità

L’interruttore automatico è un apparecchio meccanico di manovra capace di stabilire, portare ed interrompere correnti in condizioni normali del circuito ed inoltre di stabilire, portare per una durata specifica ed interrompere, correnti in condizioni anormali specificate del circuito, ad esempio quelle di corto circuito. L’interruttore è tra l’altro caratterizzato dall’avere due posizioni  che mantiene in condizione di riposo (dopo la manovra che le ha determinate) senza che sia necessario un ulteriore apporto di energia. E’ un apparecchio in grado di connettere e  disconnettere un circuito dall’alimentazione mediante un’operazione, manuale o automatica, in genere di tipo indipendente perché  permette di raggiungere le posizioni di aperto e chiuso senza arresto in posizioni intermedie con velocità di apertura/chiusura svincolata dalla velocità di manovra dell’operatore. La parola ‘automatico’ sta ad indicare un apparecchio che interviene automaticamente quando è attraversato da una corrente superiore alla sua corrente nominale. Le modalità dell’intervento dipendono essenzialmente dall’entità della sovracorrente e dalla caratteristica di intervento dell’interruttore. Ogni interruttore è fornito di due sganciatori di sovracorrente di cui uno (relè termico), a tempo inverso, provoca l’apertura con un ritardo inversamente proporzionale al valore della sovracorrente, mentre l’altro (relè elettromagnetico), ad intervento istantaneo provoca l’intervento a partire da un determinato valore di sovracorrente (relativamente elevato) con un tempo pressoché costante. 

Fig. 10.12 - Segni grafici di interruttori automatici magnetotermici e differenziali

10.6.2  Classificazione

In base ai tempi di interruzione della corrente di corto circuito si identificano i seguenti tipi di interruttori :

Limitatore - l’interruzione viene fortemente anticipata rispetto allo zero naturale della corrente ;

Rapidi - l’interruzione avviene al primo o al secondo passaggio della corrente per lo zero naturale ;

Selettivi - l’interruzione viene volutamente ritardata ed avviene dopo alcuni periodi per permettere la selettività tra interruttori posti in serie ;

Interruttori aperti o in aria - sono interruttori caratterizzati da notevoli dimensioni e vengono impiegati per usi prevalentemente di tipo industriale. Possiedono correnti nominali, correnti di breve durata e poteri di corto circuito piuttosto elevati. Vengono impiegati come interruttori di macchina a valle dei trasformatori di MT/BT di generatori e per partenze con elevate correnti di impiego (1000-2000 A);

Interruttore scatolato - sono interruttori in cui la scatola che li contiene, normalmente di materiale plastico, funge da supporto per le parti meccaniche e da isolante tra le fasi e verso massa  e da protezione contro i contatti indiretti ; 

Interruttore modulare - sono interruttori impiegati prevalentemente nel civile e nel terziario e sono caratterizzati da dimensioni modulari unificate. Queste caratteristiche permettono una facile installazione a scatto su supporti di tipo normalizzato.

10.6.3  Sganciatori                        

Lo sganciatore è un dispositivo che ha il compito, sotto l’influenza di una particolare grandezza, di comandare il rilascio degli organi di ritegno dell’interruttore e di permetterne l’apertura o la chiusura. In relazione alle grandezze di alimentazione dei sensori che determinano l’intervento  si  possono individuare due gruppi fondamentali di sganciatori :

·       sganciatori di corrente in cui lo sgancio avviene  al superamento di un predeterminato valore di corrente ;

·       sganciatori di tensione in cui lo sgancio avviene al passaggio attraverso determinati valori di tensione che possono essere superiori o inferiori ad un determinato livello di soglia prestabilito.

Una ulteriore classificazione può essere ottenuta in base ai tempi d’intervento degli sganciatori :

·       sganciatori istantanei in cui l’intervento avviene all’apparire della causa senza nessun ritardo intenzionale ;

·       sganciatori a tempo indipendente in cui è presente una regolazione sul ritardo indipendente dalla grandezza che ha provocato l’intervento ;

·       sganciatori a tempo inverso in cui lo sgancio dipende dall’inverso della grandezza che ha pilotato lo sgancio.

Un’ultima classificazione può essere fatta in base al tipo di alimentazione degli sganciatori :

·       sganciatori primari in cui l’alimentazione è derivata direttamente dalla corrente del circuito principale dell’interruttore ;

·       sganciatori secondari in cui l’alimentazione è ottenuta dalla corrente del circuito primario attraverso un derivatore o trasformatori di corrente.

Gli sganciatori più diffusi sono i tradizionali di tipo elettromeccanico (magnetici e termici) anche se si vanno sempre di più diffondendo gli sganciatori elettronici a microprocessore.

Sganciatori magnetici

Il dispositivo magnetico è uno sganciatore di tipo istantaneo il cui circuito è concatenato con la corrente del circuito di potenza che determina, al di sopra di un determinato valore di corrente (a meno delle tolleranze previste dalle Norme), l’attrazione di un nucleo ferromagnetico che libera gli organi di ritegno dell’interruttore causandone l’apertura. Negli interruttori di tipo industriale (correnti superiori a 200-250 A) è possibile introdurre dei ritardi sull’apertura agendo direttamente sui cinematismi o intervenendo con dei dispositivi a tempo.  

Fig. 10.13 - Curva di intervento caratteristica di sganciatore magnetico istantaneo di massima corrente

Sganciatori termici

E’ un dispositivo cosiddetto a tempo inverso che sfrutta la deformazione di un elemento bimetallico. Il bimetallo è infatti sensibile al passaggio della corrente che lo riscalda provocandone la dilatazione. Essendo questo un dispositivo sensibile alla temperatura è necessario adottare provvedimenti per compensare l’eventuale variazione della temperatura ambiente. Negli interruttori di tipo industriale è in genere consentita la regolazione della corrente di intervento per la protezione dai sovraccarichi (comunemente chiamata di corto ritardo). Questo consente di adeguare il livello di protezione ai bisogni del circuito e di ottimizzare la sezione dei cavi.

Fig. 10.14 - Curva di intervento caratteristica di sganciatore di massima corrente a tempo inverso

Sganciatore elettronico di massima corrente

E’ un tipo di sganciatore che si avvale dell’ausilio di trasformatori di corrente in genere inseriti sui poli dell’interruttore che forniscono sia il segnale, elaborato da un microprocessore, per pilotare lo sganciatore che la potenza necessaria per l’operazione di sgancio. Offrono diverse possibilità di regolazione dei valori di corrente, dai più semplici, che permettono di regolare la corrente di intervento della protezione termica (lungo ritardo) e di quella contro i corto circuiti (corto ritardo), ai più complessi che offrono la possibilità di regolare sia le correnti sia i tempi di intervento. 

Fig. 10.15 – Caratteristica di intervento dei relè elettronici

10.6.4  La scelta degli sganciatori

La scelta viene normalmente effettuata sulla base di considerazioni tecnico-economiche, legate alle caratteristiche dell’impianto da proteggere e della necessità di ottenere una eventuale selettività tra le protezioni. Dal punto di vista tecnico deve essere garantita la protezione contro i sovraccarichi, contro i corto circuiti e la protezione delle persone secondo le regole fissate dalle Norme. Dal punto di vista economico gli sganciatori più semplici, quelli a bimetallo, sono  i meno costosi ma offrono, rispetto a quelli elettronici, più costosi, una precisione di intervento minore. Quelli di tipo elettronico, tra l’altro,  garantiscono la costanza della corrente di intervento della protezione termica al variare della temperatura nel punto di installazione mentre, gli sganciatori magnetotermici, intervengono a valori diversi di corrente in funzione della temperatura raggiunta all’interno del quadro in cui sono installati. 

10.6.5  Tecniche di interruzione

In bassa tensione l’interruzione di forti correnti è quasi sempre ottenuta in aria con l’impiego di celle di estinzione del tipo dejon. I meccanismi di estinzione dell’arco e di interruzione della corrente avviene nel modo di seguito indicato :

·       allungamento dell’arco all’interno delle singole celle di estinzione ;

·       raffreddamento dell’arco per dissipazione di calore nell’aria circostante e sugli elementi ceramici e metallici delle celle ;

·       frazionamento dell’arco e conseguente riduzione della tensione d’arco al di sotto del valore di stabilità ;

·       aumento della velocità di spostamento dell’arco. Questo effetto può essere ottenuto tramite la configurazione a corno del contatto mobile, mediante l’utilizzo di materiali ferromagnetici per aumentare il campo magnetico, mediante l’impiego di materiali che in presenza di temperature elevate emettono gas che sono in grado di spingere l’arco nelle celle di estinzione dejon.

Fig. 10.16 -  Poteri di interruzione I_cn  in funzione della corrente nominale I_n

Gli interruttori, in relazione alla tecnica di interruzione, si possono suddividere in due tipologie :

·         interruttore automatico ‘limitatore’ che sfrutta l’effetto di repulsione tra correnti di verso contrario provocando un movimento di allontanamento anche del contatto fisso. L’effetto di limitazione, che è sfruttato da tempo nei fusibili, viene ottenuto con tempi di apertura (tempo che intercorre all’apparire della causa che provoca l’intervento e l’istante in cui i contatti d’arco si sono separati in tutti i poli) dell’ordine del millisecondo e con contatti e camere d’arco che introducono nel circuito elevate tensioni d’arco in tempi molto brevi.  In questo modo il valore di cresta risulta notevolmente inferiore rispetto a quello della corrente presunta. Quasi tutti gli interruttori della nuova generazione sono di tipo più o meno limitatore per ridurre gli ingombri ed aumentare il potere d’interruzione (da notare che gli interruttori modulari con piccole correnti nominali da 0,5 a 5 A hanno la resistenza del  polo di valore elevato che limita la corrente di corto circuito presunta senza l’impiego di altri artifici);

·         interruttori di tipo rapido che sono caratterizzati da una durata di apertura dell’ordine di alcuni millisecondi  per correnti nominali fino a 200 A e la decina di millesecondi per correnti nominali dell’ordine dei mille A.

Fig. 10.17 - Confronto tra la corrente di cresta interrotta da un interruttore limitatore e il valore di cresta della corrente presunta

continua....

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