Le protezioni usate normalmente negli impianti elettrici civili ed
industriali sono essenzialmente di due tipi: magnetotermiche e
differenziali. Gli interruttori magnetotermici servono a proteggere
dai sovraccarichi e cortocircuiti mentre i differenziali (detti impropriamente
"salvavita") salvaguardano gli impianti e le persone dalle dispersioni di
corrente verso terra. Un interruttore magnetotermico contiene al suo
interno due protezioni distinte, cioè la protezione magnetica e quella
termica. La prima ha
il compito essenziale di proteggere la linea a valle dell'interruttore dei
sovraccarichi molto bruschi ed intensi come i cortocircuiti. Come dice
il nome stesso è costituita da alcune spire poste in serie al carico,
quindi percorse dalla corrente che attraversa l'interruttore. Questa
bobina ha la funzione di provocare lo sgancio dell'interruttore se la corrente
supera un valore di molte volte più alto del valore nominale.
Lo sgancio dell'interruttore in questo caso avviene perché la bobina,
percorsa dalla corrente di guasto, genera un campo magnetico molto intenso
ed in grado di aprire in contatti dell'interruttore stesso attraverso delle
molle precaricate. Gli interruttori richiedono più sforzi per
essere armati che per venire aperti: questo è dovuto alla presenza
di molle che si comprimono e immagazzinano l'energia necessaria per tenere
compressi i contatti duranti il funzionamento e per aprire l'interruttore
in caso di guasto.
La protezione termica invece interviene per correnti
anche di poco superiori alla nominale (a partire da 1,2 Volt) e non è
istantanea come la protezione magnetica. Normalmente è costituita
da un elemento percorso dalla corrente e sensibile alla dilatazione termica
provocata dal riscaldamento ad effetto della corrente che lo attraversa.
Infatti, un conduttore percorso da corrente si scalda e scaldandosi si dilata,
questo fenomeno è per molti metalli poco evidente, ma esistono materiali
particolari che si deformano molto anche con pochi gradi di variazione
termica. Un esempio di questo comportamento si ha nelle lamine bimetalliche
usate per i termostati. La figura sotto rappresenta la vista laterale
di un interruttore magnetotermico in cui sono ben visibili i vari elementi
che lo compongono:
1) Camera spegniarco; 2) Contatto fisso; 3) Contatto
mobile; 4) Meccanismo di manovra; 5) Sganciatore elettromagnetico
istantaneo; 6) Sganciatore termico ritardato.
Per garantire un funzionamento affidabile e stabile dell'interruttore,
la protezione termica viene compensata rispetto alla temperatura ambiente,
questo per evitare che in ambienti freddi gli interruttori lascino passare
più corrente del nominale. In realtà però la
compensazione non è mai perfetta ma comunque valida per gli usi
correnti. Probabilmente molti avranno notato come dopo il primo scatto
per sovraccarico, l'interruttore sia molto più sensibile ai sovraccarichi
successivi. Questo è dovuto al fatto che l'elemento sensibile,
ancora molto caldo (essendo appena scattato l'interruttore) impiega meno
tempo per raggiungere nuovamente la temperatura (cioè la dilatazione)
necessaria per l'intervento. La protezione magnetica interviene per
correnti molto forti come i cortocircuiti ed è istantanea, mentre
la protezione termica interviene anche con correnti di poco superiori alla
nominale e richiede un certo tempo. L'intervento termico sarà
dipendente dal tempo? Per esempio, se un interruttore da 10A scatta
con una corrente da 14A applicata per 10 minuti, quale corrente servirà
per farlo scattare dopo 7 minuti? Infatti esistono le cosiddette "curve
di intervento", cioè dei grafici che permettono di sapere la
caratteristica di scatto corrente - tempo dell'interruttore. In commercio
esistono per ogni valore di corrente (o calibro) interruttori con curve
diverse. Le più note sono le curve K, U, C, L, la curva L è
molto sensibile, interviene in tempi brevi per correnti di poco superiore
alla nominale ed è adatta, come la C del resto, agli utilizzi domestici
o terziari o comunque per carichi con corrente di spunto ridotta o ancora
in tutti i casi in cui la linea a valle dell'interruttore non sopporti
sovraccarichi anche modesti. La curva K è invece la più
adatta per carichi con forte spunto (ad esempio alimentazione di rack di
finali). Scegliere l'interruttore con la curva d'intervento giusta
significa avere una protezione valida e senza inconvenienti
d'uso.
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Torniamo all'esempio del rack di finale con un interruttore a monte
inadeguato. Ipotizziamo che nel rack vi siano tre finali e il processore
dell'impianto, due finali accesi e uno spento come scorta. Durante
lo spettacolo uno dei due finali accesi si guasta e pensate di usare il terzo
come sostituzione. Molto probabilmente non riuscirete ad accenderlo
senza provocare lo scatto intempestivo dell'interruttore generale del
rack. Del resto non potete sostituire l'interruttore con uno più
grosso perché il cavo di collegamento ha una spina da 16A e quindi
va protetto per 16A e non oltre. L'unica soluzione è la scelta
di una curva di intervento idonea. Basta solo essere accorti al momento
dell'acquisto, il costo dell'interruttore è identico. Purtroppo
esiste un'altra caratteristica degli interruttori da verificare e cioè
il "potere d'interruzione". Che potere d'interruzione hanno gli
interruttori del vostro service? Durante un cortocircuito (c.c.) la
corrente assume valori elevatissimi che l'interruttore deve essere in grado
di interrompere efficacemente senza danneggiarsi (altrimenti diventerebbe
un fusibile). La corrente di cortocircuito, cioè la corrente
massima che fluisce nei conduttori in cortocircuito, varia a seconda del
punto in cui la consideriamo, cioè un allacciamento effettuato
direttamente da una cabina ENEL avrà un valore più alto di
quello dopo molti metri di cavo e ripetute derivazioni. Gli interruttori
dei quadri elettrici devono essere in grado di interrompere la corrente di
c.c., pena l'incollamento dei contatti o il danneggiamento dell'interruttore
stesso. Il valore della corrente di c.c. da rete ENEL varia di solito
da 3 a 16 KA (1KA equivale a 1000A), gli interruttori di piccolo calibro
hanno spesso un potere di interruzione di 3KA; sicuramente insufficiente
in molti casi. Un esempio:
normalmente i services non sanno che allacciamento avranno in ogni posto
in cui lavoreranno, si lavorerà con centinaia di KW ENEL, da gruppo
elettrogeno, con piccoli allacciamenti nei teatri, dipende dal lavoro che
si sta facendo. Comunque i quadri, soprattutto quelli piccoli rimarranno
sempre gli stessi. Consideriamo un service audio che viene chiamato
per una convention o una recita teatrale in un grosso centro congressi o
teatro. L'assorbimento del service medio richiede una presa da 32A
trifase (almeno limitatamente all'audio) e un piccolo quadro di distribuzione
con uscite da 16A monofase. Il potere di interruzione degli interruttori
da 16A del quadro sarà normalmente di 3KA essendo questa la taglia
più venduta in assenza di richieste particolari. Probabilmente
la cabina di trasformazione del teatro o centro congressi ha una potenza
normale essendo stata dimensionata per centinaia di KW di assorbimento.
La corrente di corto circuito varia da punto a punto anche in uno stesso
impianto elettrico e spesso è difficile da determinare, ma aumenta
sempre con l'aumentare della potenza della rete di alimentazione; più
è potente la cabina di distribuzione o il gruppo elettrogeno, più
la corrente di corto circuito sarà elevata. Questo fenomeno
va tenuto presente ed è indipendente dalle nostre necessità
di alimentazione, anche se il service assorbe solo 16A, in caso di guasto
nel quadro circolerà una corrente enorme che deve essere efficacemente
interrotta dall'interruttore della linea guasta. Una cabina di
trasformazione da 250KVA ha una corrente di corto circuito di circa 7-8KA
(il dato esatto dipende dal trasformatore e dall'impianto del luogo) e una
da 400KVA arriva a 14KA (con Vcc 6%). Probabilmente, i valori
saranno spesso più bassi ma vi sono luoghi in cui la corrente di c.c.
è elevatissima, durante grossi eventi in cui vengono usati molti gruppi
elettrogeni in parallelo. Oltretutto la corrente di c.c. dipende molto
dalla lunghezza delle linee e della loro sezione; gli impianti dei services
hanno grosse potenze impegnate (p.e. l'impianto luci in un palco) con sviluppi
di cavo limitati a qualche decina di metri che permettono alla corrente di
c.c. di raggiungere valori elevatissimi. Spesso i grossi quadri di
distribuzione principale hanno delle linee di servizio da 16A derivate
direttamente dalle linee di potenza e protette con interruttori che hanno
potere di interruzione di 3KA quando la reale corrente di c.c. al quadro
sarebbe di 8-9KA. Si consiglia di usare interruttori con potere
d'interruzione di almeno 6KA in ogni caso e di salire a 10KA e oltre, nei
casi critici visti sopra.
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Del resto in assenza di calcoli precisi (difficile da fare per gli impianti
mobili proprio per la varietà di utilizzo del materiale), l'unica
strada percorribile è il sovradimensionamento delle apparecchiature
prevedendole per i casi più critici. Purtroppo l'aumento
del potere di interruzione di un interruttore coincide con un aumento
sensibile del suo costo. In alternativa si possono usare dei fusibili
i quali hanno potere di interruzione elevatissimo (fino a 100KA e oltre)
e presentano la tendenza a limitare la corrente di c.c. presentando un
costo iniziale molto contenuto, l'inconveniente è che necessitano
di sostituzione se bruciati e non permettono comunque di eliminare gli
interruttori non essendo manovrabili. I c.c. non sono un evento
molto frequente per un service, quindi la sostituzione sarà evento
abbastanza raro in ogni caso. Infine: la "selettività di intervento",
cioè la caratteristica che dovrebbe avere ogni impianto e che,
se rispettata, comporta lo scatto dell'interruttore giusto al momento
giusto e non di altri. In altre parole, spesso più interruttori
sono posti in cascata, dal generale verso le diramazioni secondarie, sempre
più piccole; la selettività provocherà lo scatto
solo dell'interruttore interessato dal guasto e non anche di quello immediatamente
precedente, così da limitare i disservizi. In concreto: un
guasto su un rack di finali o su un telaio dimmer comporterà solo
lo scatto dell'interruttore della macchina guasta e non del generale più
a monte, curando questo aspetto si potrà limitare di molto i danni
e i disservizi (particolarmente temuti da chi lavora nel settore live).
Sperando sempre che nel rack guasto non ci sia il DSP dell'impianto o
il distributore DMX! In questo caso la selettività servirà
solo a farvi trovare prima il guasto; la selettività di intervento
non è facile da conseguire e si consiglia di diversificare le tarature
degli interruttori scendendo a valori bassi verso le diramazioni secondarie
e quando possibile di diversificare i tempi di intervento, questo però
è attuabile solo sui grossi interruttori regolabili. In questo
caso si consiglia di non spingere mai il tempo di intervento di questi
interruttori oltre i 0,2 secondi; nella pratica esistono interruttori
con tempi di intervento di alcuni secondi: equivale a togliere l'interruttore
del quadro, in caso di guasto della linea transiterà una quantità
di energia tale da danneggiare seriamente i cavi e provocare un incendio,
ne va della vostra sicurezza e di quella delle macchine. Analogamente
non ha senso che il differenziale generale dell'impianto abbia taratura
30mA, regolatelo a 300-500mA e riservate il valore di 30mA, ai piccoli
differenziali dei quadri secondari. Anche in questo caso si raccomanda
di non esagerare con il tempo di intervento, le conseguenze non sono sempre
valutabili con semplicità.
Per gentile concessione dell'autore Marco Mocellin