Cosa rende gli interruttori automatici aperti la scelta giusta per la protezione da correnti elevate?

Cos'è un interruttore automatico in aria e come funziona?

An interruttore automatico in aria (ACB) è un dispositivo di commutazione e protezione utilizzato nei sistemi di distribuzione dell'energia a bassa tensione, in genere per circuiti che funzionano a tensioni fino a 1.000 V CA e con valori di corrente da 630 A a 6.300 A o superiori. La caratteristica distintiva di un ACB, come suggerisce il nome, è che utilizza l'aria a pressione atmosferica come mezzo di estinzione dell'arco. Quando l'interruttore si apre in condizioni di guasto, l'arco che si forma tra i contatti di separazione viene trascinato in uno scivolo dell'arco, una serie di piastre divisorie metalliche che dividono e raffreddano l'arco, aumentandone rapidamente la resistenza fino allo spegnimento. Questo meccanismo di estinzione dell'arco non richiede olio isolante, ampolle sotto vuoto o gas compresso, rendendo gli ACB più semplici da manutenere e ispezionare rispetto a molte tecnologie alternative.

All'interno di un ACB, il meccanismo di comando immagazzina energia meccanica in una serie di molle di chiusura caricate manualmente o caricate dal motore. Quando viene ricevuto un segnale di sgancio (dallo sganciatore elettronico che rileva un sovraccarico, un cortocircuito, un guasto a terra o un'altra funzione di protezione) un blocco rilascia l'energia della molla immagazzinata e i contatti principali si separano ad alta velocità. La velocità di separazione dei contatti è fondamentale: più velocemente i contatti si aprono, più breve è la durata dell'arco e minore è l'energia depositata nello scivolo dell'arco e nei componenti circostanti. Gli ACB moderni raggiungono la separazione dei contatti in meno di 10 millisecondi dal segnale di intervento alla separazione dei contatti e tempi di ripristino totali (inclusa l'estinzione dell'arco) generalmente inferiori a 25-40 millisecondi per guasti di cortocircuito.

Dove vengono utilizzati gli interruttori automatici aperti

Gli ACB sono installati ai livelli di corrente più elevati all'interno delle gerarchie di distribuzione dell'energia a bassa tensione: gli interruttori automatici in ingresso principali nei quadri di distribuzione principale (MDB), gli alimentatori primari nei quadri di distribuzione secondaria di grandi dimensioni e le posizioni dell'ingresso e dell'accoppiatore bus nei quadri di distribuzione a bassa tensione. La loro elevata corrente nominale, la robusta capacità di estinzione dell'arco e le estese funzioni di protezione li rendono la scelta standard ovunque le conseguenze di un guasto (danni termici, rischio di incendio, distruzione delle apparecchiature o sicurezza del personale) richiedano il massimo livello di protezione e selettività.

Gli ambienti di installazione tipici includono impianti di produzione industriale, grattacieli commerciali, data center, ospedali, centrali elettriche, sottostazioni, impianti di trattamento dell'acqua e sistemi elettrici marini. Dentro ciascuno di questi ambienti, l'ACB funge da custode tra il secondario del trasformatore e la rete di distribuzione a valle e il suo corretto funzionamento durante un guasto è il singolo evento più importante nel limitare l'entità e la durata di un incidente elettrico.

Tipi di interruttori automatici aperti

ACB a montaggio fisso

Gli ACB fissi sono imbullonati direttamente nel pannello del quadro o nel quadro di distribuzione e non possono essere rimossi senza scollegare le sbarre e i cavi. Questo design è più compatto e ha un costo inferiore rispetto agli equivalenti estraibili, ma richiede che il circuito sia diseccitato e che il pannello venga aperto per qualsiasi manutenzione, test o sostituzione dell'interruttore. Gli ACB fissi sono appropriati nelle installazioni in cui il circuito può essere messo fuori servizio per manutenzione senza un impatto inaccettabile sulla continuità della fornitura: impianti industriali più piccoli, quadri di distribuzione secondaria o sistemi con adeguata flessibilità di pianificazione della manutenzione.

ACB estraibili (ritirabili).

Gli ACB estraibili sono montati su un meccanismo a culla che consente di estrarre l'interruttore dal pannello del quadro in una posizione di prova o sezionato senza disturbare le sbarre principali o i collegamenti dei cavi. Nella posizione inserita, i contatti di sezionamento primari e secondari dell'interruttore si innestano con i contatti fissi nel pannello; ritirando l'interruttore nella posizione di prova si isolano i contatti di alimentazione principali mantenendo i collegamenti dei circuiti ausiliari e di controllo, consentendo di testare l'unità di controllo e le funzioni di protezione in condizioni di guasto simulato con il pannello sotto tensione. Il ritiro completo nella posizione di sezionamento isola tutti i collegamenti, consentendo la rimozione dell'interruttore per la manutenzione o la sostituzione mentre il resto del quadro di distribuzione rimane sotto tensione. Questa capacità rende gli ACB estraibili la specifica standard per le applicazioni critiche in cui la continuità dell'alimentazione ad altri circuiti durante la manutenzione è un requisito: ospedali, data center e processi industriali a funzionamento continuo.

ACB motorizzati

Sia gli interruttori automatici fissi che quelli estraibili possono essere specificati con meccanismi motorizzati che consentono la chiusura e l'apertura elettrica a distanza dell'interruttore senza intervento manuale sul pannello. Un ACB motorizzato può essere controllato da un sistema di gestione dell'edificio (BMS), una piattaforma SCADA o un relè di gestione dell'alimentazione dedicato, consentendo schemi di gestione del carico, trasferimento automatico tra fonti di alimentazione e eliminazione e richiusura remota dei guasti senza inviare un elettricista sul posto del pannello. Il meccanismo di carica delle molle del motore garantisce inoltre che le molle di chiusura siano sempre ricaricate immediatamente dopo un'operazione di chiusura, rendendo l'interruttore pronto per la richiusura rapida senza carica manuale delle molle.

Valutazioni chiave e loro significato

La selezione di un ACB per un'applicazione specifica richiede la comprensione dei valori chiave specificati sulla targhetta dell'interruttore e nella scheda tecnica del produttore. L'errata applicazione di questi valori nominali è una delle cause più comuni di guasto dell'ACB in condizioni di guasto.

La corrente nominale di tenuta di breve durata (Icw) è particolarmente importante nelle applicazioni ACB e rappresenta una capacità non presente negli interruttori automatici scatolati (MCCB) al di sotto di un determinato valore nominale. Icw consente all'ACB di rimanere chiuso e trasportare una corrente di guasto per un periodo definito, in genere 1 secondo, senza intervenire. Questa capacità è essenziale per ottenere la selettività (discriminazione) in un sistema di distribuzione: l'ACB a monte rimane chiuso mentre un interruttore a valle elimina il guasto, limitando l'entità dell'interruzione dell'alimentazione solo al circuito guasto anziché causare uno scatto a monte che disecciterebbe una sezione più ampia dell'impianto.

Sganciatori elettronici: l'intelligenza del moderno ACB

Lo sganciatore elettronico (ETU), chiamato anche sganciatore elettronico o sganciatore intelligente, è il modulo di controllo basato su microprocessore che monitora la corrente attraverso ciascun polo dell'ACB ed esegue comandi di sgancio quando vengono superate le soglie di protezione definite. Le moderne ETU sostituiscono i precedenti meccanismi di sgancio magnetotermici con funzioni di protezione completamente regolabili e caratterizzate con precisione che possono essere configurate per soddisfare i requisiti specifici di ciascuna installazione senza sostituire alcun componente hardware.

Protezione da sovraccarico (ritardo a lungo termine — LTD)

La funzione di ritardo a lungo termine protegge cavi e apparecchiature da correnti di sovraccarico sostenute che, pur essendo al di sotto del livello di cortocircuito, causeranno danni termici se lasciate persistere. La corrente di spunto (Ir) è regolabile, in genere dal 40% al 100% della corrente nominale dell'interruttore, consentendo di adattare la soglia di protezione alla portata effettiva del cavo anziché impostare per impostazione predefinita il valore nominale massimo dell'interruttore. Anche il ritardo (tr) è regolabile, caratterizzato da una caratteristica di tempo inverso che consente alle correnti di sovraccarico di breve durata (come lo spunto di avviamento del motore) di passare senza intervenire, proteggendo al tempo stesso da sovraccarichi prolungati.

Protezione da cortocircuito (ritardo di breve durata - STD e istantaneo)

La funzione di ritardo di breve durata (STD) rileva correnti di guasto di alto livello e fa scattare l'interruttore dopo un ritardo di tempo intenzionale - regolabile da 0,05 a 0,4 secondi nella maggior parte delle ETU - per consentire ai dispositivi di protezione a valle di funzionare per primi (selettività). La funzione istantanea (I) fa scattare l'interruttore senza ritardo intenzionale quando la corrente di guasto supera una soglia molto elevata, generalmente impostata su 10-15 volte la corrente nominale, che rappresenta un guasto ravvicinato in cui il potenziale di danno è così grave che nessun ritardo è accettabile. La combinazione di STD regolabile e impostazioni istantanee consente al tecnico della protezione di personalizzare la curva di risposta dell'interruttore per ottenere sia la selettività con i dispositivi a valle che la rapida eliminazione dei guasti gravi.

Protezione dai guasti a terra

La protezione dai guasti a terra (EFP) rileva la corrente residua che scorre nel conduttore di terra, ovvero la corrente che ha lasciato i conduttori di fase ma non è ritornata attraverso il neutro, indicando che sta scorrendo attraverso un percorso di terra non intenzionale. Nei sistemi di terra TN-S e TT, la protezione dai guasti a terra nell'ACB fornisce un livello di protezione di riserva per guasti a terra ad alta impedenza che potrebbero non generare corrente sufficiente per azionare la protezione da cortocircuito. La soglia di intervento del guasto a terra (Ig) è regolabile in modo indipendente e il ritardo (tg) può essere impostato per coordinarsi con i dispositivi di corrente residua (RCD) a valle.

ACB vs MCCB: scegliere la giusta tecnologia

Il confine tra interruttori automatici aperti e interruttori automatici scatolati (MCCB) viene spesso frainteso. Entrambe le tecnologie forniscono protezione da sovracorrente e da cortocircuito, ma differiscono sostanzialmente per intervallo di corrente nominale, capacità di interruzione, regolabilità della protezione, manutenibilità e costi. Comprendere queste differenze impedisce sia la sottospecificazione (utilizzando un MCCB in una posizione che richiede capacità di ACB) sia la sovraspecificazione (selezionando un ACB in cui un MCCB funzionerebbe altrettanto bene a un costo inferiore).

• Valutazione attuale: Gli MCCB sono disponibili fino a circa 1.600 A nelle linee di prodotti standard; al di sopra di questo livello, gli ACB rappresentano l’unica scelta pratica. Per potenze comprese tra 630 A e 1.600 A sono disponibili entrambe le tecnologie e la decisione coinvolge altri fattori.
• Corrente ammissibile di breve durata (Icw): Questa valutazione è il fattore di differenziazione più chiaro. Gli ACB hanno definito valori Icw che consentono la selettività graduata nel tempo a livelli elevati di corrente di guasto. Gli MCCB standard inferiori a circa 800 A in genere non hanno un valore Icw significativo: scattano istantaneamente in caso di correnti di guasto elevate, rendendo impossibile ottenere selettività con i dispositivi a valle per guasti ravvicinati.
• Adattabilità della protezione: Gli sganciatori elettronici ACB offrono parametri di protezione completamente regolabili per tutte le funzioni. Le impostazioni di protezione dell'MCCB sono in genere più limitate, con alcune unità di potenza inferiore che offrono solo caratteristiche magnetotermiche fisse.
• Manutenibilità: Gli ACB sono progettati per l'ispezione e la manutenzione: contatti, scivoli d'arco e meccanismi operativi possono essere ispezionati e sottoposti a manutenzione sul campo. Gli MCCB sono unità in gran parte sigillate che vengono sostituite anziché mantenute quando raggiungono la fine della vita utile.
• Costo: Gli ACB comportano un significativo premio di costo rispetto agli MCCB a rating attuali equivalenti. Questo premio è giustificato dalle funzionalità aggiuntive sopra descritte, ma non deve essere pagato qualora tali funzionalità non siano richieste dall'applicazione.

Criteri di selezione e fasi pratiche di specificazione

Specificare correttamente un ACB richiede una sequenza definita di calcoli e decisioni che devono essere completate prima che un prodotto possa essere selezionato dal catalogo di un produttore. Saltare alcuni passaggi di questo processo porta ad applicazioni errate, con conseguenze che vanno da interventi fastidiosi alla mancata interruzione sicura di un guasto.

Iniziare stabilendo il requisito di corrente nominale (In) in base alla corrente di carico continua massima del circuito, applicando eventuali fattori di declassamento applicabili per la temperatura ambiente e il metodo di installazione. Calcolare la corrente di cortocircuito prevista (PSCC) nel punto di installazione utilizzando i dati sull'impedenza del trasformatore, sull'impedenza del cavo e sul livello di guasto del sistema: questa cifra non deve superare il valore Icu dell'ACB e, idealmente, il valore Ics per la manutenzione ordinaria dopo la risoluzione del guasto. Determinare se la selettività con i dispositivi a valle richiede una classificazione Icw e, in tal caso, quale ritardo e livello di corrente devono essere raggiunti. Stabilire i requisiti di protezione dell'ETU (quali funzioni di protezione sono necessarie, con quali impostazioni) e verificare che siano disponibili nella variante di sganciatore selezionata. Infine, confermare i requisiti meccanici: fissi o estraibili, motorizzati o manuali, contatti ausiliari e uscite di segnalazione necessari per l'integrazione con il sistema BMS o SCADA e orientamento della connessione delle sbarre compatibile con il quadro.

I principali produttori di ACB, tra cui ABB, Schneider Electric, Siemens, Eaton e Chint, pubblicano software di selezione dettagliati e strumenti di coordinamento che automatizzano i calcoli di selettività e discriminazione una volta immessi il livello di guasto del sistema e i valori nominali del dispositivo. L'utilizzo di questi strumenti durante la fase di progettazione, piuttosto che fare affidamento su stime pratiche, è il modo più affidabile per garantire che il sistema di protezione funzioni come previsto in condizioni di guasto reali, che è, in definitiva, l'unica prestazione che conta quando si verifica un guasto.