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Il fusibile nella protezione contro le sovracorrenti in bassa tensione

di Saveri Gianluigi

1. Generalità

Un’apparecchiatura elettrica in condizioni di normale funzionamento (condizioni specificate dai dati di targa) assorbe una corrente che viene definita corrente nominale. Alcune apparecchiature elettriche, a seconda

dell’impiego, funzionano però ad una potenza variabile, con un assorbimento di corrente anch’esso

variabile. Ogni qualvolta una di queste apparecchiature assorbe un valore di corrente maggiore di quello

nominale si dice che funziona in regime di sovracorrente.

Un tale funzionamento si manifesta con sovracorrenti riconducibili fondamentalmente a due casi:

· sovracorrenti dovute a sovraccarichi

Sono correnti tipiche di un circuito elettricamente sano percorso da correnti che possono raggiungere le 6 - 8 volte la corrente nominale, sopportabili per un tempo determinato perché producono sollecitazioni

termiche. Un sovraccarico non controllato può evolvere rapidamente in un cortocircuito e quindi dovranno

essere adottate delle protezioni che intervengano in tempi tanto più brevi quanto maggiore è l’entità del

sovraccarico.

· sovracorrenti dovute a guasti o corto circuiti

Si verificano in un circuito elettricamente guasto a causa di un contatto, di impedenza nulla tra due parti in tensione, che esclude la parte di impianto a valle del guasto. La corrente aumenta molto rapidamente

sottoponendo il circuito a sollecitazioni termiche e a sforzi elettrodinamici e provocando archi elettrici che

possono essere causa di innesco d’incendio o di esplosioni. Poiché gli effetti di un corto circuito si manifestano in tempi brevissimi il guasto deve essere eliminato quasi istantaneamente.

Un dispositivo particolarmente efficace nella protezione contro le sovracorrenti è il fusibile.

2. Protezione contro le sovracorrenti mediante fusibili

I fusibili non godono di grandi simpatie tra gli addetti ai lavori anche se possiedono, accanto a pochi difetti, numerosi pregi. Negli impianti di bassa tensione il campo di impiego è estremamente vasto. Possono

essere impiegati come dispositivi di protezione contro le sovracorrenti oppure, associati ad altri dispositivi,

come sistemi di protezione per particolari necessità come, ad esempio, nelle apparecchiature di marcia e arresto dei motori. Rispetto alla protezione mediante interruttori automatici presentano alcuni aspetti

negativi:

- non assicurano, in caso di intervento, l'interruzione contemporanea di tutte le fasi del circuito creando, nei sistemi

trifase, una situazione di funzionamento bifase che potrebbe danneggiare i motori (anche se esistono relè termici

differenziali che risolvono egregiamente il problema);

- sono richiesti tempi di ripristino del circuito relativamente elevati.

Tutto sommato, come vedremo, gli aspetti negativi sono di gran lunga inferiori rispetto a quelli positivi.

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2.1 Protezione dal sovraccarico

I criteri generali da seguire nel coordinamento tra dispositivo di protezione contro il sovraccarico e

conduttura sono indicati dalla norma CEI 64-8 che richiede siano verificate le seguenti condizioni (fig.2.1):

Znb III ?? (2.1)

Zf II 45,1? (2.2)

Dove:

- Ib, corrente di impiego del circuito;

- Iz, portata del cavo ; - If, corrente convenzionale di sicuro intervento del dispositivo di protezione;

- In, corrente nominale del dispositivo di protezione.

Fig. 2.1 – Condizione di massimo sfruttamento del cavo secondo la norma CEI 64-8

Secondo le norme CEI 32-1 la If dei fusibili, corrente convenzionale di sicuro intervento della protezione, è

legata alla corrente nominale per mezzo di un coefficiente k che vale:

6,1??n

f

I

Ik

Da cui:

nf II 6,1?

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Considerando le due condizioni stabilite dalla 64-8 sostituendo If nella 2.2 si ottiene:

ZnZnZn IIIIII 9,0;6,145,1;45,16,1 ???

La protezione da sovraccarico mediante fusibile è soddisfatta scegliendo un fusibile avente corrente

nominale non superiore a 0,9 volte la portata Iz della conduttura e non inferiore alla corrente di impiego Ib:

Znb III 9,0??

Come si può notare l’uso dei fusibili comporta una sotto utilizzazione del cavo rispetto agli interruttori

automatici per i quali il rapporto tra la corrente convenzionale di sicuro intervento If e la corrente nominale In

vale rispettivamente 1,45 per quelli ad uso domestico e 1,3 per quelli ad uso industriale. Il cavo protetto mediante fusibili, infatti, non può essere impiegato alla sua massima portata bensì ad una portata ridotta del

10%, dovendo essere la corrente di impiego Ib non superiore alla corrente nominale del fusibile onde

evitarne la fusione indesiderata (fig.2.2). Da non dimenticare però che le norme prescrivono per i fusibili prove alla corrente If a freddo, cioè a temperatura ambiente, diversamente dagli interruttori automatici che

sono provati a caldo, cioè dopo una verifica alla corrente nominale. Se i fusibili fossero provati con le stesse

modalità il rapporto k tra corrente convenzionale di fusione e corrente nominale sarebbe addirittura minore.

Fig. 2.2 – Esempio di confronto tra interruttori automatici e fusibili nella protezione contro il sovraccarico

2.2 Protezione dal cortocircuito

Se qualche svantaggio rispetto agli interruttori automatici si evidenzia nella protezione contro i sovraccarichi

nessun dubbio può sorgere per quanto riguarda l’impiego dei fusibili nella protezione contro i cortocircuiti. Il fusibile possiede, infatti, sia un elevato potere di interruzione sia ottime caratteristiche di limitazione. Il

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tempo di intervento estremamente rapido limita la corrente di cortocircuito a valori inferiori alla corrente di cortocircuito presunta nel suo punto di installazione e l’energia specifica passante decresce rapidamente

all’aumentare della corrente di cortocircuito, essendo il fusibile un dispositivo intrinsecamente limitatore (fig.

2.3).

Fig. 2.3 – Il fusibile limita la corrente di cortocircuito a valori notevolmente inferiori a quella presunta nel suo punto di installazione

Questa capacità limitatrice riduce notevolmente le sollecitazioni termiche ed elettrodinamiche cui sono soggetti i componenti dell’impianto a valle, permettendone il dimensionamento per correnti di cortocircuito

inferiori a quelle teoriche. Queste particolari caratteristiche del fusibile sono ben valorizzate quando viene

impiegato nella costruzione dei quadri elettrici per i quali le norme CEI 17-13 ammettono l’esenzione dalla verifica alla tenuta al cortocircuito se hanno correnti nominali ammissibili di breve durata o correnti nominali

di cortocircuito condizionate non superiori a 10 kA o se sono protetti da dispositivi limitatori di corrente

aventi una corrente di picco limitata non eccedente a 15 kA in corrispondenza del loro potere nominale. Analoghi vantaggi derivanti dalla limitazione dell’energia specifica passante si hanno nel dimensionamento al cortocircuito dei cavi in bassa tensione. La norma CEI 64-8 stabilisce che nei confronti del cortocircuito la

sezione minima di una conduttura deve essere calcolata in base alla seguente formula:

K

tIS

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? (2.3)

dove:

I2t è l’energia specifica lasciata passare dal dispositivo di protezione e K un coefficiente che dipende dal materiale conduttore e dal materiale isolante. La tabella 2.1 fornisce, in funzione dell’I2t massimo stabilito

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dalla norma CEI 32-1 (tab. 2.2), alcuni esempi di sezioni minime di cavi in PVC (K=115) dimensionati al cortocircuito.

Corrente di impiego

Sezioni del cavo dimensionate in portata

Fusibile Sezioni del cavo dimensionate al

cortocircuito

)( 2mmIb )( 2mmI Z )( 2mmS )(AI n )10( 322 ?sAtI MAX )( 2

2

mmK

tIS ?

18

23

30

120

197

25

32

44

171

275

4

6

10

70

150

20

25

32

125

200

1,8

3,0

5,0

140

400

0,36

0,47

0,61

3,25

5,49

Tab. 2.1 – Esempi di sezioni minime di cavi in PVC dimensionati al cortocircuito confrontati con sezioni di cavi dimensionati in portata

Le sezioni così ottenute dimostrano che in nessun caso, qualunque sia la corrente teorica di cortocircuito, per soddisfare il dimensionamento al cortocircuito del cavo è necessario aumentare la sezione del cavo

rispetto a quella nominale del circuito. Situazione che può presentarsi impiegando dispositivi di protezione

non limitatori quando si è in presenza di elevate correnti di cortocircuito presunte.

Corrente nominale In per cartucce gG

(A)

I2t minimo

(A2sx103)

I2t massimo

(A2sx103)

16 20 25 32 40 50 63 80

100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250

0,3 0,5 1,0 1,8 3,0 5,0 9,0 16 27 46 86 140 250 400 760

1300 2250 3800 7840 13700

1,0 1,8 3,0 5,0 9,0 16 27 46 86

140 250 400 760 1300 2250 3800 7500

13600 25000 47000

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Tab. 2.2 – Valori dell’I2t di prearco a 0,01 s per cartucce gG secondo la norma CEI 32-1

Interessante si presenta a questo punto il confronto dei fusibili, di cui in tabella 2.2 sono riportati i valori dell’I2t di prearco a 0,01 s per cartucce di tipo gG secondo la norma CEI 32-1, con gli interruttori automatici

limitatori dei quali si riportano nella tabella 2.3 i valori massimi di I2t stabiliti dalla norma CEI 23-3.

Classi di energia limitata 1 2 3

Potere nominale di cortocircuito

I2t max(A2s) I2t max(A2s) I2t max(A2s) In kA Tipo B-C Tipo B Tipo C Tipo B Tipo C

A16?

3

6

10

31 000

100 000

240 000

37 000

120 000

290 000

15 000

35 000

70 000

18 000

42 000

84 000 A16?

A32?

3

6

10

Nessun limite specificato

40 000

130 000

310 000

50 000

160 000

370 000

18 000

45 000

90 000

22 000

55 000

110 000

Tab. 2.3 – Valori massimi di I2t lasciato passare da interruttori con corrente nominale fino a 32 A.

La norma CEI 23-3 suddivide tali apparecchi per classi di limitazione (classe 1, classe 2 e classe 3) e indica per ognuna di queste il massimo valore di energia specifica passante in condizioni di cortocircuito. Nella

figura 2.3 sono confrontate le sezioni minime di cavi in PVC calcolate al cortocircuito per alcuni casi,

introducendo nella 2.3 i valori di I2t massimi stabiliti dalle norme, quando i cavi sono protetti rispettivamente da un fusibile o da un interruttore automatico conforme alle norme CEI 23-3 di tipo C con potere di

interruzione di 6kA (tab.2.3).

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Fig. 2.3 – Sezioni minime di cavi in PVC calcolate al cortocircuito in funzione dei valori di I2t massimi definiti dalla norma CEI 32-1 per i fusibili e dalla norma CEI 23-3 per gli interruttori ad uso civile o similare.

Come si può notare, in tutti i casi presi in esame, la sezione minima calcolata nel caso del fusibile è notevolmente inferiore a quella calcolata quando si impiega un interruttore automatico. Quando il fusibile

viene utilizzato per la sola protezione da cortocircuito occorre verificare il comportamento alla corrente di

cortocircuito minima per guasti in fondo alla linea che potrebbero non essere sufficienti a farlo intervenire in

tempi accettabili per il cavo (fig.2.4).

Fig. 2.4 – Quando il fusibile assicura la sola protezione da cortocircuito occorre verificare la corrente di cortocircuito minima in fondo alla linea

Se il fusibile protegge anche contro i sovraccarichi è possibile non effettuare tale verifica in quanto si

assume che le condizioni di cui sopra siano automaticamente soddisfatte (fig. 2.5).

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Fig. 2.5 – Quando il fusibile assicura anche la protezione da sovraccarico il cavo è sempre protetto

3. Coordinamento con avviatori per motori asincroni

Uno degli impieghi più frequenti dei fusibili è quello della protezione dei motori asincroni trifase con un

apparecchiatura combinata fusibili aM e relè termico associato a contattore.

Il coordinamento è verificato quando:

- il fusibile interviene per tutte le correnti superiori al potere di interruzione del contattore;

- la corrente di scambio tra contattore e fusibile deve essere superiore alla corrente di spunto del

motore;

- l’energia specifica passante deve essere sopportata da tutti i componenti installati a valle;

- la caratteristica di sovraccarico del fusibile deve essere coordinata con il relè termico onde evitargli sollecitazioni non accettabili.

4. Coordinamento con apparecchi di manovra e protezione

Per ottenere un economico ma altrettanto valido dispositivo di protezione che svolga gli stessi compiti di un

interruttore automatico è sufficiente associare un interruttore di manovra sezionatore a dei fusibili (unico difetto rispetto agli interruttori automatici gli elevati tempi necessari al ripristino). Il coordinamento può

essere gestito solo in base alle indicazioni del costruttore assicurandosi che i fusibili proteggano l’interruttore

di manovra-sezionatore dalle sollecitazioni dovute all’energia specifica passante. In particolare occorre

verificare che:

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- il tempo di interruzione del fusibile in corrispondenza del valore di corrente di breve durata

dell’interruttore sia inferiore a quello sopportabile dall’interruttore stesso;

- il valore di cresta della corrente limitata dal fusibile, nel momento in cui è massima la corrente di

cortocircuito presunta, sia minore del potere nominale di chiusura dell’interruttore.

5. Coordinamento con interruttori automatici

In alcuni casi in cui le correnti di cortocircuito presunte possono raggiungere valori molto elevati può essere

conveniente ricorrere alla combinazione fusibili interruttore automatico. Il fusibile funge da sostegno

interrompendo le correnti che superano determinati valori lasciando invece all’interruttore l’unico compito di arrestare tutte le correnti inferiori. Questo permette di utilizzare interruttori automatici con poteri di

interruzione nominale inferiori alla corrente di cortocircuito massima. La combinazione deve essere

opportunamente coordinata seguendo le indicazioni del costruttore ed in particolare verificando che siano

soddisfatte le seguenti condizioni (fig. 5.1):

- l’intervento dei due dispositivi deve essere selettivo per correnti inferiori alla corrente di scambio;

- l’energia specifica lasciata passare prima dell’intervento del fusibile deve essere inferiore a quella

sopportabile dal cavo e dall’interruttore;

- la curva di intervento del fusibile deve intercettare la curva di intervento dell’interruttore (corrente di

scambio) ad un valore di corrente inferiore al potere di interruzione nominale dell’interruttore;

- la corrente di cresta limitata dal fusibile relativamente alla massima corrente di cortocircuito presunta

non deve essere superiore al potere nominale di chiusura dell’interruttore.

Fig. 5.1 – Coordinamento tra fusibili e interruttori automatici per la protezione contro il cortocircuito.

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6. Selettività

Secondo la norma CEI 32-12, la selettività fra fusibili di tipo gG è garantita quando il rapporto fra le correnti

nominali di due fusibili in serie è uguale a 1,6. Per raggiungere lo scopo è sufficiente saltare una grandezza nella serie unificata tra un fusibile e quello che segue ed ottenere in modo estremamente semplice la

selettività nella distribuzione in bassa tensione.

7. Conclusioni

Il fusibile di bassa tensione permette una selettività semplice e sicura, limita ottimamente l’I2t , possiede

elevatissimi poteri di interruzione nei confronti della corrente di cortocircuito e soprattutto, nonostante le

elevate prestazioni e la grande affidabilità, costa poco. Tutto ciò dovrebbe bastare a sfatare tutte le leggende metropolitane che sono sorte attorno al povero e umile fusibile e a permettergli di entrare a pieno titolo a far

parte degli impianti di pregio con la stessa dignità di tutti gli altri dispositivi che hanno fin qui goduto di ben

diversa fortuna.