Protezione degli impianti elettrici

La protezione degli impianti elettrici è una branca dell'ingegneria elettrica che si occupa di sviluppare dei sistemi per la protezione degli impianti elettrici in caso di guasto. Generalmente un guasto in un impianto elettrico provoca, rispetto ai valori normale operatività, un notevole incremento della corrente e una diminuzione della tensione. Queste condizioni possono causare gravi danni ai componenti elettrici dell'impianto, è quindi indispensabile che i sistemi di protezione siano presenti e riescano ad agire tempestivamente scollegando dal resto dell'impianto la sezione guasta.

Il sistema di protezione deve prevedere nei principali punti della rete dispositivi per l'individuazione e l'eliminazione dei diversi tipi di guasto possibili. Le protezioni possono essere di macchina, di zona e di interfaccia con la rete esterna.

Protezioni attive

Si definiscono protezioni attive i componenti dell'impianto che intervengono sul circuito, normalmente aprendolo. Le protezioni attive intervengono principalmente per salvaguardare l'impianto da guasti. Sono essenzialmente composte da un relè in grado di aprire il circuito. Il relè, in seguito a delle misure sull'impianto, e al verificarsi di una condizione di guasto, provvede a far intervenire l'interruttore che, aprendo la linea, interrompe la fornitura di energia elettrica e quindi toglie l'alimentazione al guasto.

Caratteristiche fondamentali delle protezioni

Le caratteristiche fondamentali di un sistema di protezione sono:

• selettività: la capacità del sistema di protezioni di intervenire solo dove c'è il guasto e per il guasto specificato;
• sensibilità: la capacità di rilevare variazioni delle grandezze che interessano il sistema elettrico;
• sicurezza di funzionamento: il grado di affidabilità delle protezioni, che occorre sia elevato per garantire l'efficacia delle protezioni nell'istante in cui si verifica il guasto;
• tempestività di intervento: la capacità di intervenire al momento giusto;
• protezione di riserva: una protezione aggiuntiva che è chiamata ad intervenire in caso di deficit della protezione principale;
• assenza di punti ciechi: è la caratteristica che devono avere le protezioni in modo da non lasciare punti non protetti nell'impianto elettrico.

Interruttore magnetotermico

L'interruttore magnetotermico (comunemente chiamato interruttore automatico) è costituito da due relè, uno magnetico e uno termico. Il relè magnetico protegge il circuito dalle correnti di elevato valore (solitamente correnti di cortocircuito) e viene infatti definito come protezione di massima corrente. Il funzionamento dello sganciatore magnetico è basato sull'attrazione elettromagnetica generata da un solenoide percorso dalla corrente di guasto che, generando una forza elettromotrice indotta, aziona una bobina che comanda un sezionatore, il quale opera l'apertura del circuito. L'intervento è quasi istantaneo al superamento della massima corrente, indifferentemente dal valore assunto della corrente stessa. Vi è poi l'intervento termico spiegato nel dettaglio nella sezione Interruttore termico.

Interruttore termico

L'interruttore termico è costituito dal solo relè termico ed è un dispositivo più semplice rispetto al magnetotermico e garantisce la protezione solo dai sovraccarichi.

Il funzionamento del relè termico è mirato a proteggere il circuito da correnti di valore più modesto (solitamente correnti di sovraccarico e minime correnti di corto circuito). Il suo funzionamento è basato sul comportamento dei metalli a seguito del calore che nasce per effetto Joule al passaggio di una corrente; tale corrente percorre una lamina realizzata da due metalli con differente coefficiente di dilatazione termica. Poiché i coefficienti non risultano essere uguali, le diverse dilatazioni porteranno ad un curvamento della lamina, quindi allo sganciamento del relè e all'apertura del circuito. L'intervento della componente termica è definito da una curva d'intervento, all'aumentare del valore della corrente di guasto diminuisce il tempo d'intervento. Ogni interruttore ha una sua curva d'intervento.

Fusibile

Il fusibile tradizionale è anch'esso una protezione di massima corrente. Il suo funzionamento si basa sulla fusione di un filo metallico nel caso la corrente sia troppo elevata. Il fusibile, rispetto agli interruttori magnetotermici, risulta essere un dispositivo più robusto ma non garantisce la protezione da minime correnti di cortocircuito e correnti da sovraccarico; per ovviare a questa limitazione, spesso si adopera accoppiato ad un interruttore termico. Inoltre, ad ogni intervento occorre sostituire la cartuccia per poter ripristinare il servizio. Anche i fusibili presentano delle curve di intervento che li caratterizzano e li differenziano.

Interruttore differenziale

L'interruttore differenziale non è una protezione di massima corrente, ma il suo funzionamento si basa sulla prima legge di Kirchhoff. Nel caso la somma algebrica delle correnti entranti, o uscenti, nel dispositivo sia superiore ad un valore di soglia, l'interruttore interviene. All'aumentare del valore di questa somma (o differenza, da cui il nome) il tempo d'intervento diminuisce.

Relè

Oltre ai principali tipi di relè, già descritti, esistono altri tipi divisibili per funzionamento:

• di tensione
• di corrente
• di frequenza
• di potenza
• direzionali
• ad impedenza
• distanziometrici (o a impedenza direzionale)
• differenziali

Si possono inoltre distinguere per tecnologia di costruzione:

• elettromeccanici (tradizionali)
• statici analogici
• digitale a microprocessore

Protezioni passive

Le protezioni passive utilizzano mezzi che non interessano il circuito ed il suo funzionamento. Tali protezioni hanno come principale scopo l'evitare la nascita di un guasto tramite arco elettrico o contatto tra parti diverse dell'impianto.

Isolamento principale

L'isolamento principale non è da confondersi con l'isolamento funzionale, anche se a volte coincidono. Tale isolamento deve ricoprire completamente le parti attive ed essere rimosso solo mediante la sua distruzione. Inoltre tale protezione deve essere in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche, a sforzi elettrodinamici e termici, alle alterazioni chimiche dovute all'ambiente circostante o comunque deve avere una barriera meccanica che lo protegga (es. tubi, passerelle, cunicoli).

Barriere e involucri

Gli involucri impediscono il contatto con le parti attive da ogni direzione e angolazione esso provenga, mentre le barriere impediscono tale contatto unicamente se proveniente da alcune direzioni, normalmente quella abituale d'accesso. Entrambi vengono caratterizzati da un grado di protezione indicato da una sigla composta dalle due lettere IP seguite da due cifre. La prima cifra indica la protezione da corpi solidi, mentre la seconda corpi liquidi. Se al posto del numero è presente la X, significa che non è protetto rispetto a quel tipo di contatto. La sigla può essere seguita dalla lettera B o dalla D, che identifica che la protezione viene superata, ma non si può entrare in contatto con una parte attiva.

Altri componenti

Per proteggere l'impianto dai guasti si progetta anche un impianto di terra.

Trasformatori di tensione (TV) e di corrente (TA)

Ove non è possibile misurare direttamente la tensione o la corrente di linea (ad esempio nelle media e alta tensione) i dispositivi di protezione vengono controllati con dei trasformatori di tensione o trasformatori di corrente al fine di ridurre (proporzionalmente) la grandezza che controlla fisicamente l'intervento del dispositivo.

Bibliografia

• Noverino Faletti e Paolo Chizzolini, Trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica, vol. 1, Bologna, Pàtron editore, 2004, ISBN 88-555-2776-2.
• Vito Carrescia, Fondamenti di sicurezza elettrica, Torino, TNE, settembre 2008, SBN IT\ICCU\PMI\0002445.

Collegamenti esterni

• La sicurezza elettrica in bassa tensione, su elektro.it.
• elektro.it: La protezione contro i contatti indiretti negli impianti dell'utente secondo la nuova norma CEI 11-1, su elektro.it.