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Selettività significa che i dispositivi di protezione contro le sovracorrenti devono isolare dalla rete nel più breve tempo possibile solo il ramo dell’impianto in cui il guasto è avvenuto. In altre parole selettività significa circoscrivere il più possibile il guasto.
La condizione essenziale per un comportamento selettivo è la scelta coordinata dei dispositivi di protezione secondo le curve di sgancio, cioè la verifica mediante l’andamento delle rispettive curve tempo-corrente.
Come regola generale la selettività tra due dispositivi di protezione è assicurata nel campo dei sovraccarichi, quando il tempo di non intervento del dispositivo a monte è superiore al tempo massimo di interruzione del dispositivo a valle per qualunque valore di corrente di sovraccarico. Questa condizione è in genere verificata se il rapporto tra le correnti nominali o di regolazione del dispositivo a monte e del dispositivo a valle è uguale o superiore a 1,6.
La selettività in caso di corto, invece, è più complicata. Le tecniche che permettono di raggiungerla si possono identificare in amperometrica, cronometrica, energetica ed elettronica. Queste tecniche possono essere applicate in uno stesso impianto sia singolarmente sia in combinazione tra loro. Naturalmente il coordinamento selettivo delle protezioni va verificato sia in sovraccarico sia in corto circuito.
In un impianto di distribuzione sono in genere presenti diverse combinazioni di dispositivi di protezione contro le sovracorrenti: fusibili, interruttori automatici, loro combinazioni, fusibili HH per linee di media e alta tensione… Ogni combinazione di apparecchiature ha regole diverse per la verifica delle condizioni di selettività.
Selettività tra fusibili in serie
La scelta del tipo di fusibile in un impianto dipende principalmente dal genere di utenze che è destinato a proteggere e dalla corrente nominale presente nel punto di installazione, oltre che dal potere di interruzione che deve essere almeno pari al valore della corrente di corto circuito presunta nel punto di installazione. In caso di guasto in un punto della linea elettrica, tutti i fusibili in serie sono percorsi dalla stessa corrente.
I fusibili in serie si comportano selettivamente se le caratteristiche di prearco, cioè le curve di intervento comprensive di bande di tolleranza, non si intersecano. Per elevate correnti di corto questo requisito non è più sufficiente. In questo caso, infatti, si può garantire la selettività solo se l’energia specifica I2t totale del fusibile più piccolo a valle è inferiore all’energia specifica di fusione I2t del fusibile più grande a monte. È necessario, quindi, prevedere delle tolleranze maggiori. A tal proposito bisogna tener presente anche la tolleranza delle curve dei tempi di fusione. In questo caso non si fa più riferimento alla normale curva di intervento (curva di prearco), ma a quella di fusione, considerando anche le diverse situazioni di funzionamento del fusibile: cioè le curve a caldo (che saranno diverse da quelle a freddo) se il fusibile è già da tempo in funzione. Considerando tutte queste cose, in linea di massima si può asserire che la selettività è garantita se le taglie dei due fusibili si differenziano almeno di un fattore pari a 1,6 (per esempio fusibili da 100 A con altri dello stesso tipo da 160 A).
Tra interruttori automatici in serie
La verifica della selettività tra interruttori è un’operazione piuttosto complessa.
A seconda del sistema impiegato per ottenerla, si parla di selettività amperometrica, cronometrica, energetica o elettronica. Prima di spiegare le differenze esistenti tra questi diversi metodi, è opportuno fissare altri due importanti concetti.
Il primo è quello di selettività totale o parziale. Due interruttori automatici possono comportarsi in modo selettivo per qualsiasi valore di corrente di corto circuito oppure solo fino ad un determinato valore. In quest’ultimo caso si parla di selettività parziale. Questo valore di corrente viene definito valore limite di selettività. Se la corrente di corto calcolata nel punto di installazione dell’interruttore automatico a valle giace al di sotto di questo limite, per ogni possibile corrente di guasto nel punto di installazione è garantita la selettività. Se viceversa il valore della corrente di corto nel punto di installazione è superiore, l’intervento selettivo dell’interruttore a valle è garantito solo fino a quel valore. Le tabelle di selettività fornite dai costruttori, ci informano proprio di questi valori limiti. Esse derivano da prove sperimentali e quindi sono sicuramente molto più affidabili dei semplici confronti tra le caratteristiche d’intervento dei diversi dispositivi di protezione.
Gli interruttori automatici si suddividono in due categorie: A e B. Solo gli interruttori di categoria B sono particolarmente adatti ad offrire un comportamento selettivo. Questi interruttori presentano degli sganciatori con soglia magnetica ritardata. In questo modo, in presenza di un corto circuito, l’intervento non è istantaneo ma avviene con un breve ritardo (in genere decimi di secondo fino ad un massimo di 1 secondo). Il massimo valore della corrente che l’interruttore automatico può lasciare passare in questo tempo, viene definito come corrente di breve durata Icw.
Analizziamo i diversi tipi di selettività.
La selettività amperometrica è basata sulla differenziazione dei valori di intervento dello sganciatore magnetico istantaneo (o di breve ritardo) degli apparecchi installati in serie. Conduce generalmente a una selettività parziale. Questa tecnica è tanto più efficace, quanto più si riesce a differenziare le correnti di corto nei punti di installazione delle protezioni. Si realizza selettività totale solo quando la corrente di corto ai morsetti dell’interruttore a valle è inferiore alla soglia di intervento della protezione a monte. Per ottenere selettività amperometrica (totale o parziale), il minimo rapporto tra le soglie di intervento istantanee della protezione a valle e a monte deve essere superiore a 1,5 anche per tener conto delle tolleranze sulle curve di intervento (massimo +/- 20%). Si riesce in genere ad ottenere una selettività totale mediante distinzione delle soglie di intervento degli sganciatori di sovracorrente istantanei solo nel caso in cui l’interruttore a valle è un interruttore limitatore, che quindi limita l’energia specifica lasciata passare ad un valore inferiore a quello della soglia di intervento degli sganciatori di corto circuito degli interruttori a monte.
Con la selettività cronometrica invece gli interruttori a monte sono differenziati da quelli a valle nelle caratteristiche non solo per una diversa soglia di intervento ma anche per le caratteristiche di breve ritardo di cui sono dotati gli sganciatori. Gli interruttori oltre ad avere soglie di intervento magnetico diverse, hanno anche tempi di intervento dello sganciatore magnetico differenti, uno ritardato rispetto all’altro. In questo caso la selettività potrà essere totale. I tempi di ritardo necessari dipendono dal tipo di sganciatore. In caso di sganciatori di sovracorrente di tipo elettronico (sganciatori cosiddetti di tipo z), è sufficiente impostare delle differenze di tempi di ritardo da 70 a 100 ms tra i diversi livelli di interruttori per coprire automaticamente tutte le tolleranze. Per limitare le sollecitazioni in caso di un corto franco immediatamente a valle dell’interruttore automatico generale, è bene prevedere che questo sia equipaggiato con sganciatori di tipo istantaneo oltre che di quelli a breve ritardo. La corrente di intervento istantanea deve essere regolata su valori talmente alti tali da provocare lo sgancio dell’interruttore solo in caso di un corto circuito franco nel tratto di rete tra questo interruttore e quelli a valle e che quindi non comprometta la selettività di intervento in caso di guasto in altri punti dell’impianto a valle. Nell’applicazione con selettività cronometrica va garantito che l’interruttore a monte sia in grado di mantenere, per tutto il tempo di ritardo, la tenuta elettrodinamica dei contatti. Si parla di corrente di breve durata Icw per identificare la massima corrente che l’interruttore è in grado di sopportare per il tempo di ritardo. Essa è espressa in KA per tempi di ritardo generalmente non superiori a l secondo. Al di sopra del valore Icw, l’interruttore deve assolutamente intervenire istantaneamente per salvaguardare la propria integrità. Occorre anche ricordare che l’impiego di sganciatori ritardati implica maggiori sollecitazioni termiche e dinamiche anche per l’impianto
La selettività energetica non è un vero e proprio metodo di selettività, ma più semplicemente una verifica aggiuntiva a cui ricorrere in determinati casi, in particolare quando si utilizzano interruttori limitatori a valle. Data l’esiguità dei tempi di intervento delle protezioni a monte e a valle, per lo studio della selettività energetica non si confrontano le curve di intervento tempo-corrente delle apparecchiature, ma la curva dell’energia specifica lasciata passare dall’interruttore a valle e la curva dell’energia di non intervento dell’interruttore a monte (caratteristica di I2t ): per avere selettività energetica queste due curve non devono avere punti in comune.
Infine, vi è la selettività elettronica che sfrutta le sofisticate caratteristiche di sganciatori elettronici intelligenti, cioè aperti alla comunicazione e quindi in grado di dialogare e interagire tra loro. Attraverso i microprocessori degli sganciatori è possibile effettuare il controllo dell’intervento degli interruttori a monte del punto di guasto. Il funzionamento è semplice: tutti gli interruttori che vedono transitare la corrente di corto inviano un segnale di attesa (variabile da 50 a 100 msec.) all’interruttore a monte. L’interruttore installato immediatamente a monte del cortocircuito, non ricevendo nessun ordine di attesa apre istantaneamente permettendo così un intervento selettivo.
Tra interruttori a monte e fusibili a valle
Finora abbiamo trattato i casi di selettività tra apparecchiature dello stesso genere, però in generale in un impianto elettrico abbiamo la compresenza di dispositivi di protezione tra loro diversi e precisamente soprattutto combinazioni di interruttori automatici e fusibili.
Se il fusibile è posto a valle, la selettività nel campo dei sovraccarichi fino alla corrente di intervento dello sganciatore magnetico istantaneo dell’interruttore, è garantita se la caratteristica di intervento del fusibile non interseca quella dello sganciatore termico ritardato, mentre nel campo delle correnti di corto che superano o eguagliano il valore di intervento dello sganciatore istantaneo, si garantisce la selettività solo se il fusibile limita la corrente di corto ad un valore che resta al di sotto della corrente di intervento dello sganciatore dell’interruttore a monte. Questo è possibile con fusibili con correnti nominali di molto inferiore a quella dell’interruttore automatico. Altrimenti la selettività potrà essere più facilmente raggiunta facendo uso di interruttori dotati di sganciatore di corto circuito a breve ritardo, purchè il ritardo sia di almeno 100 ms al di sopra della caratteristica di intervento del fusibile.
Tra fusibile a monte e interruttore a valle
E’ il caso ad esempio dei condomini in cui si hanno fubibili di protezione in linea e interruttori automatici a protezione dei singoli appartamenti. Anche in questo caso si ottiene la selettività nel campo dei sovraccarichi se la caratteristica di intervento dello sganciatore termico non incontra la caratteristica del fusibile (considerando anche le dovute tolleranze). Nel campo dei corto circuiti si deve osservare che la corrente interessa termicamente il fusibile anche durante il processo di spegnimento dell’arco da parte dell’interruttore. In pratica è sufficiente che la caratteristica di prearco del fusibile sia 70-100 ms al di sopra di quella dello sganciatore istantaneo di sovracorrente dell’interruttore.
Con più alimentazioni in parallelo
Normalmente gli impianti di bassa tensione vengono dimensionati con una resistenza al corto di 50 kA. Però occasionalmente nelle reti industriali si lavora con valori più elevati allo scopo di ottenere una minor caduta di tensione. In questi casi si alimenta un sistema di sbarre con due o più trasformatori che vengono collegati in esercizio tramite interruttori congiuntori. La scelta degli apparecchi e le condizioni di selettività in simili applicazioni vengono essenzialmente determinate in funzione di questi interruttori. Per il resto valgono le considerazioni già enunciate in precedenza. Di solito l’interruttore congiuntore viene scelto di tipo limitatore. Nel caso di due o più alimentazioni in parallelo la corrente di corto nel punto di alimentazione si suddivide sulle singole linee di alimentazione. La selettività risulta pertanto meno complicata. Per esempio nel caso di due alimentazioni uguali, in caso di corto la corrente totale si suddivide su ogni alimentazione in egual misura e quindi le caratteristiche di sgancio possono essere traslate verso destra di un fattore pari a 2. Nel caso di alimentazione con più di due trasformatori in parallelo, i rispettivi interruttori di protezione, vanno coordinati utilizzando se necessario anche sganciatori a breve ritardo. In ogni caso le correnti di intervento degli sganciatori sono proporzionali alla corrente di corto del corrispondente trasformatore, in modo da garantire che in caso di corto a monte di un interruttore, questo viene sganciato istantaneamente, mentre gli altri trasformatori possono rimanere inseriti garantendo la continuità di esercizio.
Contro le cadute di tensione
Al verificarsi di un corto, nel punto in cui esso avviene, la tensione di rete si abbassa bruscamente. La tensione residua dipende dal valore della resistenza di guasto. Considerando il caso più sfavorevole di un corto franco, la resistenza di guasto e quindi la tensione nel punto in cui si verifica il corto, risultano essere praticamente nulle. In ogni caso la tensione diminuisce lungo la linea nel senso in cui fluisce l’energia per tutta la durata del corto, a un valore parziale che viene determinato in base alla resistenza intermedia del conduttore e quindi alla distanza dal punto di guasto. Il tempo di apertura di un interruttore può raggiungere anche i 30 ms (se è limitatore non più di 10). Se la tensione di rete ai capi delle bobine dei contattori e degli sganciatori di minima tensione degli interruttori presenti in rete, scendesse ad un valore compreso tra il 40 e il 70% del valore nominale, permanendo per un tempo minimo di circa 20 ms, tutti gli interruttori presenti in linea dotati di simili sganciatori interverrebbero e i contattori si disecciterebbero.
In casi del genere, anche al fine di garantire la selettività delle protezioni, è necessario che gli sganciatori di minima tensione e i contattori siano dotati di adeguati ritardatori di apertura (è sufficiente un ritardatore di 1 secondo). Per correnti di corto elevate, fusibili e interruttori limitatori intervengono in modo talmente veloce che la caduta di tensione permane solo per brevi frazioni di secondo evitando senz’altro l’intervento degli sganciatori di minima tensione e dei contattori.
Nelle reti di bassa tensione a maglia
Le reti aperte o, come sono anche più frequentemente denominate, le reti radiali, sono senza dubbio di gran lunga le più comuni. Al contrario le reti chiuse, cosidette a maglia il cui uso, soprattutto in bassa tensione, è molto raro. Esse però offrono importanti vantaggi sia da un punto di vista economico che di esercizio. Lo testimoniano diversi aspetti, come per esempio le elevate sicurezze di alimentazione, accoppiamenti più favorevoli in caso di carichi di diversa potenza o con grossi spunti, buona stabilità dei livelli di tensione, basse perdite e semplici adattamenti in caso di variazioni o di ampliamento della linea.
Normalmente in una rete a maglia sono impiegati cavi della stessa sezione e perciò fusibili dello stesso tipo e con la stessa corrente nominale. I fusibili sono installati nei nodi della rete. Quando avviene un corto in un punto della rete, la corrente di guasto in quel punto è la somma delle due diverse componenti entranti nel nodo del ramo nel quale è avvenuto il guasto. Si ha selettività quando il fusibile attraversato dalla somma di queste componenti interviene, mentre i fusibili percorsi da una sola delle due componenti restano in esercizio. In pratica se il rapporto tra la corrente di corto calcolata in uno dei due rami entranti nel nodo e quella in cui è avvenuto il corto è minore di 0,8, interviene sicuramente solo il fusibile del ramo interessato dal guasto.
Selettività tra dispositivi di protezione di bassa e di media alta tensione
La selettività tra i dispositivi di protezione contro le sovracorrenti deve partire dall’interruttore di protezione del motore fino al generatore e pertanto non deve arrestarsi al trasformatore AT/bt (alta/bassa tensione). Tra le reti di bassa e quella di alta tensione, il trasformatore funge da anello di congiunzione. Mentre sul lato di bassa tensione la protezione contro le sovracorrenti viene affidata ai soliti fusibili e interruttori automatici, sul lato di media/alta si hanno a disposizione fusibili HH (per alta tensione con alto potere di interruzione) e interruttori di potenza dotati di adeguati relè e sganciatori. Garantire la selettività tra fusibili NH (di bassa) e HH è relativamente semplice. Valgono infatti in linea di massima le stesse considerazioni sui fusibili in serie. Anche i fusibili di bassa e di alta tensione vengono attraversati dalla stessa corrente di esercizio, purchè si tenga conto del rapporto di trasformazione del trasformatore Mt/bt. Per la loro scelta si deve tener conto che il fusibile NH deve, accanto alla protezione contro il corto, assolvere il compito di proteggere il trasformatore contro le sovracorrenti. Pertanto la corrente nominale viene determinata in funzione di quella del trasformatore. Il fusibile HH invece serve solo per la protezione contro il corto circuito sul lato alta tensione. Per un corretto dimensionamento occorre però tener conto dei picchi di corrente di inserzione del trasformatore che possono assumere valori molto alti. Per questa ragione il fusibile HH viene scelto con una corrente nominale pari a 2-3 volte la corrente nominale del trasformatore.
La selettività viene garantita se il tempo totale di interruzione del fusibile NH, con grande sicurezza, è inferiore alla curva del tempo di fusione (comprensiva di banda di tolleranza) del fusibile HH, riferita al lato bassa tensione (cioè tenendo conto del rapporto di trasformazione).
Se combinato con un interruttore automatico di bassa, il fusibile HH risulta selettivo con l’interruttore se la sua curva del tempo di fusione (riferita al lato di bassa) giace al di sopra di quella di sgancio dell’interruttore (comprensiva di tolleranze).
Se a monte del trasformatore, anziché un fusibile HH, viene inserito un interruttore di potenza con sganciatore primario o sganciatore con riduttore di corrente, bisognerà coordinare le curve di sgancio con quelle dell’apparecchio di protezione di bassa tensione.