Guida rapida agli interruttori differenziali di tipo B – 2a parte

La prima parte della guida rapida agli interruttori differenziali di tipo B è stata pubblicata a questo link. La normativa definisce 4 diverse tipologie di interruttori  differenziali (AC, A, B, F) e come e quando applicarli.

Applicazione degli interruttori differenziali di tipo B

Gli interruttori differenziali di tipo B sono adatti ad un utilizzo in presenza di circuiti non lineari in grado di generare corrente di guasto a terra con elevata componente continua (oltre 6 mA (nota 3)) e/o ad alta frequenza (tabella 1).

Tabella 1 Interruttori Differenziali Tipo B

Si tratta, in sostanza, di:

• raddrizzatori trifase o bifase in genere (casi 1, 2, 3);
• raddrizzatori a semionda con elevata capacità di livellamento (4);
• raddrizzatori con correzione attiva del fattore di potenza (PFC) (5);
• generatori di tensione continua permanentemente connessi senza separazione galvanica a reti in corrente alternata (es. pannelli fotovoltaici) (6);
• inverter a frequenza variabile (7).

Tra i principali apparecchi utilizzatori che contengono tali configurazioni circuitali troviamo:

• sistemi statici di trasferimento (STS) e sistemi statici di continuità (UPS) (figura 3);
• sistemi di ricarica per veicoli elettrici alimentati in corrente alternata (figura 4);
• azionamenti per motori a frequenza variabile con alimentazione trifase (macchine industriali, ascensori, ecc.) (figura 5);
• impianti fotovoltaici (figura 6 (nota 4));
• azionamenti in corrente continua;
• convertitori di frequenza;
• apparecchi per diagnostica medica ad immagini (TAC, RMN, ecc.).

Figura 3: L’interruttore differenziale di tipo B in presenza di UPS

Figura 4: L’interruttore differenziale di tipo B per la ricarica dei veicoli elettrici

Figura 5: Applicazione ai motori alimentati a frequenza variabile

Figura 6: Impianti fotovoltaici senza trasformatore d’isolamento

Immunità agli scatti intempestivi degli interruttori differenziali di tipo B

Per gli interruttori differenziali di tipo B sono state aggiunte severe prove d’immunità agli scatti intempestivi in aggiunta a quanto già previsto per quelli di tipo A. Tali prove sono (nota 5):

• tenuta all’impulso di corrente normalizzato 8/20 µs sino al valore di 3.000 A (figura 7);
• insensibilità alla correnti differenziali di durata sino a 10 ms e di ampiezza sino a 10 I∆n (figura 8).

Figura 7: Impulso di corrente 8/20 microsecondi

Figura 8: Insensibilità alle correnti differenziali di breve durata

Dove le Norme richiedono l’interruttore differenziale di tipo B

È necessario installare, sul lato corrente alternata, un interruttore differenziale di tipo B negli impianti fotovoltaici, se non dispongono almeno di una semplice separazione tra il lato in corrente alternata e quello in continua, qualora il convertitore non sia esente per costruzione dall’iniettare correnti continue di guasto a terra nell’impianto elettrico (cfr. CEI 64-8, art. 712.413.1.1.1.1).
Nei locali ad uso medico di gruppo 1 e gruppo 2 devono essere utilizzati interruttori differenziali solo di tipo A oppure di tipo B, in funzione del tipo della possibile corrente di guasto (cfr. CEI 64-8, art. 710.413.1.3).

Per i Sistemi di Trasferimento Statici (STS) e i Gruppi Statici di Continuità (UPS), nel caso il loro progetto preveda la possibilità di una corrente di guasto verso terra con componenti in corrente continua, deve essere precisato nelle istruzioni d’installazione che gli interruttori differenziali dell’edificio siano di tipo B, per gli UPS e gli STS trifase, e di tipo A, per quelli monofase (cfr. CEI EN 62040-1, art. 4.7.12 e CEI EN 62310-1, art. 4.1.10).
Per ciò che riguarda la ricarica dei veicoli elettrici, nel caso di alimentazione trifase, si devono adottare misure di protezione sensibili alle correnti continue di guasto a terra, ad esempio dispositivi differenziali di tipo B (cfr. CEI 64-8 art. 722.531.1) (nota 6).

Più in generale, per la corretta scelta dell’interruttore differenziale nel caso di apparecchiature elettroniche di potenza diverse da quelle considerate finora, si può fare riferimento alla Norma CEI EN 50178 (Apparecchiature elettroniche da utilizzare negli impianti di potenza), secondo la quale (art. 5.2.11.2):

• le apparecchiature elettroniche mobili con potenza assegnata ≤ 4 kVA devono essere sempre progettate per essere compatibili con interruttori differenziali di tipo A;
• le apparecchiature elettroniche mobili con potenza assegnata > 4 kVA oppure fisse con qualunque potenza, che non sono compatibili con il differenziale di tipo A, devono essere provviste di un’avvertenza sull’apparecchiatura e sul manuale operativo per richiedere l’utilizzo di un differenziale di tipo B o di un altro metodo di protezione (ad esempio, trasformatore d’isolamento).

Corretta installazione degli interruttori differenziali di tipo B

Considerando che gli interruttori differenziali di tipo B sono impiegati in presenza di carichi in grado di provocare correnti di guasto anche di tipo continuo, nella progettazione dell’impianto elettrico è necessario che altri eventuali interruttori differenziali installati a monte di un interruttore di tipo B, attraversati dalla medesima corrente di guasto, siano anch’essi di tipo B (nota 7). Questo perché le eventuali dispersioni continue pregiudicherebbero il corretto funzionamento dei differenziali a monte di tipo AC, A o F, non idonei in caso di correnti differenziali continue. Infatti, anche se l’interruttore differenziale di tipo B protegge dalle correnti di guasto continue, il valore d’intervento (per esempio, 60 mA per un interruttore con I∆n = 30 mA) è sufficientemente elevato per compromettere il regolare funzionamento di un altro interruttore non di tipo B. È, quindi, necessario derivare l’alimentazione del differenziale di tipo B a monte di eventuali interruttori differenziali di tipo diverso, oppure, se è necessario il differenziale a monte, scegliere anche per questo un tipo B.

Figura 10: Esempi di corretta installazione del differenziale di tipo B

Figura 11: Esempio di installazione errata di un differenziale di tipo B

Protezione dai contatti indiretti alle alte frequenze

I valori massimi d’intervento dell’interruttore differenziale di tipo B con I∆n non superiore a 30 mA, ai fini della protezione addizionale dai contatti diretti, si trovano al di sotto della curva limite della soglia di fibrillazione ventricolare stabilita nella pubblicazione IEC/TS 60479, anche nel caso della corrente continua o ad alta frequenza.
Per la protezione dai contatti indiretti nei sistemi TT, l’interruttore deve essere coordinato con la resistenza dell’impianto di terra con la usuale relazione:

Con questa relazione di coordinamento è automaticamente verificata la protezione dai contatti indiretti nel caso di guasti in corrente continua, in quanto la tensione di contatto limite ammessa in continua, corrispondente a quella di 50 V in alternata, è di 120 V.
In presenza di guasti ad alta frequenza, tuttavia, non è stata ancora stabilita a livello normativo una tensione di contatto limite accettabile. Benché al crescere della frequenza diminuiscano i rischi per il corpo umano, in attesa che le Norme fissino tali valori, la CEI EN 62423 raccomanda cautelativamente di mantenere invariato il valore di 50 V anche a frequenze più elevate. Per fare ciò è necessario tener conto dell’effettivo valore d’intervento alla possibile frequenza di guasto.

Figura 12: Curva di intervento in frequenza di un dato interruttore

Ad esempio, nel caso di un interruttore di tipo B la cui caratteristica d’intervento sia quella di figura 12, a 1.000 Hz l’intervento è garantito con una corrente differenziale di 300 mA (più basso del limite di Norma di 420 mA). Quindi, se gli apparecchi utilizzatori possono dare luogo a una corrente di guasto a 1.000 Hz, la resistenza di terra dovrà rispettare la relazione:

R_E ∙ 0,3 A ≤ 50 V

cioè

R_E ≤ 166 Ω

Come funziona l’interruttore differenziale di tipo B?

Gli interruttori differenziali di tipo B costruiti secondo la Norma CEI EN 62423 sono dotati di due toroidi in materiale ferromagnetico posti in serie: uno è destinato alla rilevazione delle correnti differenziali alternate e pulsanti, l’altro di quelle continue. In entrambi i toroidi passano tutti i conduttori attivi (fasi e neutro), in modo che essi costituiscano un avvolgimento primario di un trasformatore sul quale circola la corrente differenziale.

Schema di principio di un interruttore di tipo B

Il primo toroide funziona in modalità elettromeccanica come in un interruttore tradizionale di tipo A o di tipo AC: una corrente differenziale oscillante alla frequenza di rete genera per induzione elettromagnetica una tensione ai capi dell’avvolgimento secondario, la quale, se raggiunge un valore predeterminato di soglia, provoca lo sgancio di un attuatore a smagnetizzazione che agisce sul meccanismo di apertura dei contatti.
Il secondo toroide è utilizzato sfruttando la saturazione magnetica del materiale ferromagnetico. Al suo avvolgimento secondario è applicata permanentemente una tensione alternata che magnetizza il materiale, mentre un circuito elettronico è in grado di rilevare l’induttanza ai capi dell’avvolgimento stesso. La comparsa di una corrente differenziale continua porta in saturazione il materiale e, di conseguenza, modifica la sua permeabilità magnetica. Questa variazione, opportunamente elaborata, è il segnale che determina il comando dell’attuatore di sgancio.
Come richiesto dalle Norme europee, il funzionamento come differenziale di tipo A, cioè la rilevazione di guasti di forma d’onda alternata o pulsante, è garantito anche in totale assenza di tensione tra i conduttori attivi (fasi e neutro). Il funzionamento come tipo B, invece, richiede la presenza di una tensione minima su almeno due conduttori attivi qualunque.

Note:

3) Gli interruttori differenziali di tipo A sono idonei a rilevare correnti differenziali pulsanti che, per una durata di almeno 8,33 ms in ogni periodo di 20 ms della frequenza di rete (pari a 150° gradi elettrici a 50 Hz), assumano un valore nullo o non superiore a 6 mA.

4) In caso di guasto a terra sul lato in corrente continua l’interruttore differenziale posto a valle dell’inverter sarebbe percorso, in base alle caratteristiche dell’inverter, da una corrente non alternata, contenente un’elevata componente continua e ad alta frequenza.

5) Si tratta, sostanzialmente, del medesimo tipo di prove superate dagli interruttori differenziali ABB di tipo A serie APR, caratterizzati da un’elevata tenuta agli scatti intempestivi.

6) In alcuni Paesi, ad esempio Stati Uniti e Germania, la protezione contro i guasti in corrente continua è richiesta anche nel caso di ricarica monofase.

7) Si veda la Norma CEI EN 50178: “Apparecchiature elettroniche da utilizzare negli impianti di potenza”, art. 5.3.2.3.

Autore: Ing. Claudio Amadori R&D ABB S.p.A. ABB SACE Division per ElettricoMagazine