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Elettrotecnica

 

Guida all’uso dei fusibili in bassa tensione

Il fusibile, in virtù della sua semplicità costruttiva e del costo estremamente contenuto, è tradizionalmente uno dei dispositivi di protezione contro le sovracorrenti fra i più diffusi (fig. 1).



Solo negli ultimi anni il suo impiego ha subito una flessione a favore dell'interruttore automatico ritenuto più pratico e facilmente manovrabile in caso di ripristino anche da parte di persone poco esperte.
Il principio di funzionamento del fusibile si basa semplicemente sulla fusione di uno o più elementi fusibili, appositamente progettati e calibrati, che aprono il circuito in cui il dispositivo è inserito quando viene superato per un certo tempo un determinato valore di corrente.

I fusibili sono trattati dalle Norme CEI del Comitato Tecnico 32 e fanno principalmente riferimento alle seguenti norme e guide (fig. 2):

CEI EN 60269-1 (CEI 32-1) – Fusibili. Prescrizioni generali
CEI EN 60269-2 (CEI 32-4) – Fusibili per usi industriali
CEI EN 60269-3 (CEI 32-5) – Fusibili per usi domestici e similari
CEI EN 60269-4 (CEI 32-7) – Fusibili per dispositivi a semiconduttori
CEI EN 61459 (CEI 32-15) – Fusibili. Coordinamento tra fusibili e avviatori
CEI 32-16 – Fusibili. Guida per l’impiego per avviatori e motori
CEI 32-18 – Fusibili. Guida applicativa per i fusibili a bassa tensione

Definizioni e grandezze caratteristiche della cartuccia

Per comodità del lettore si riportano di seguito alcune delle definizioni più importanti tratte dalla Norma 32-1.

Fusibile
Dispositivo che mediante la fusione di uno o più elementi fusibili, a tal fine progettati e proporzionati apre il circuito in cui è inserito interrompendo la corrente quando essa supera un valore specificato per una durata sufficiente. Il fusibile comprende tutte le parti che costituiscono il dispositivo completo.

Supporto della cartuccia
Assieme di base e portacartuccia. (Quando nella presente Norma viene utilizzato il termine “supporto della cartuccia”, si intende la base del fusibile e/o il portacartuccia, se non è necessaria una distinzione tra i due termini).

Base del fusibile
Parte fissa di un fusibile munita di contatti, morsetti e calotte, dove applicabile.

Portacartuccia
Parte amovibile di un fusibile prevista per tenere in posto la cartuccia.

Cartuccia
Parte di un fusibile comprendente l’elemento(i) fusibile, prevista per essere sostituita dopo che il fusibile ha funzionato.

Contatto
Due o più parti conduttive destinate ad assicurare la continuità del circuito tra una cartuccia e il corrispondente supporto.

Elemento fusibile
Parte di una cartuccia prevista per fondere quando il fusibile interviene. La cartuccia può comprendere più elementi fusibili in parallelo.

Dispositivo indicatore
Dispositivo previsto per indicare se il fusibile è intervenuto.

Percussore
Dispositivo meccanico, facente parte di una cartuccia che, quando il fusibile interviene, rilascia l’energia richiesta per provocare il funzionamento di altri apparecchi o dispositivi indicatori, o per effettuare un interblocco.

Calibratore
Parte aggiuntiva di una base destinata ad assicurare un grado di non intercambiabilità.

Fusibili per uso da parte di persone addestrate
Fusibili previsti per essere utilizzati in installazioni in cui le cartucce sono accessibili e sostituibili solo da persone addestrate.

Fusibili per uso da parte di persone non addestrate
Fusibili previsti per essere utilizzati in installazioni dove le cartucce sono accessibili e sostituibili da persone non specializzate.

Porta
Valori limite entro i quali le caratteristiche, per esempio le caratteristiche tempo-corrente, devono ricadere.

Potere di interruzione di una cartuccia
Valore (efficace per corrente alternata) della corrente presunta che una cartuccia è in grado di interrompere ad una tensione determinata e in condizioni specificate d’uso e di comportamento (almeno 50 kA per cartucce ad uso industriale e 6 kA per cartucce ad uso domestico e similare).

Campo di interruzione
Campo di corrente presunta all’interno del quale il potere di interruzione di una cartuccia è assicurato.

Corrente limitata
Massimo valore istantaneo raggiunto dalla corrente durante l’operazione di interruzione, effettuata da una cartuccia quando essa interviene in modo da impedire che la corrente raggiunga il valore massimo altrimenti raggiungibile.

Caratteristica di limitazione
Curva che dà i valori della corrente limitata in funzione della corrente interrotta presunta in condizioni di funzionamento specificate.

Corrente massima ammissibile
(di un supporto della cartuccia) Valore di corrente limitata che il supporto della cartuccia può sopportare.

Durata di pre-arco
Intervallo di tempo tra l’inizio di una corrente sufficiente per provocare la fusione dell’elemento fusibile e l’istante in cui inizia la formazione dell’arco.

Durata d’arco
Intervallo di tempo tra l’inizio dell’arco e l’istante in cui questo è definitivamente estinto.

Durata di funzionamento
Somma della durata di pre-arco e della durata d’arco.

Potenza dissipata di una cartuccia
Potenza dissipata in una cartuccia che porta la corrente nominale in condizioni specificate.

Corrente nominale di una cartuccia (In)
Valore di corrente che la cartuccia può portare in modo continuo, senza deteriorarsi, in condizioni specificate. I valori di corrente preferenziali, in ampere, della cartuccia dovrebbero essere scelti tra i seguenti:

  • Impiego da parte di persone addestrate e non addestrate - 2 , 4 , 6 , 8,10,12 ,16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100
  • Impiego da parte di persone addestrate - 125 , 200 , 250 , 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250

Corrente convenzionale di non fusione (Inf)
Valore di corrente specificato che la cartuccia è in grado di portare per un tempo specificato (tempo convenzionale) senza che si verifichi la fusione dell’elemento fusibile.

Corrente convenzionale di fusione (If)
Valore di corrente specificato che provoca il funzionamento della cartuccia entro un tempo specificato (tempo convenzionale).

Tempi e correnti convenzionali per cartucce gG e gM
(Norma CEI 32-1)
Corrente nominale In
(A)
Tempo convenzionale
(h)
Correnti convenzionali
Inf
If
In ≤4 (*)
1
1,5 In
2,1 In
4n ≤16 (*)
1
1,5 In
1,9 In
16n ≤63
1
1,25 In
1,6 In
63n ≤160
2
160n ≤400
3
400≤In
4
(*) Solo cartucce gG

I2t (integrale Joule)
Integrale del quadrato della corrente esteso ad un determinato intervallo di tempo.

Caratteristica I2t
Curva che dà i valori di I2t (I2t di pre-arco e/o I2t di funzionamento) in funzione della corrente presunta per condizioni di funzionamento specificate.

Zona I2t
Zona compresa tra la caratteristica I2t di pre-arco minima e la caratteristica I2t di funzionamento massima in condizioni specificate.

Caratteristiche di intervento e non intervento per cartucce gG e gM
(Norma CEI 32-1)
Corrente nominale
(A)
Porte
Valori di pre-arco
I2t a 0,01 s per le cartucce “gG”e “gM
Imin
per intervento entro 10 s
(A)
Imin
per intervento entro 10 s
(A)
Imin
per intervento entro 0,1 s
(A)
Imax
per intervento entro 0,1 s
(A)
I2tmin
103 (A2s)
I2tmax
103 (A2s)
16
33
65
85
150
0,3
1,0
20
42
85
110
200
0,5
1,8
25
52
110
150
260
1,0
3
32
75
150
200
350
1,8
5
40
95
190
260
450
3
9
50
125
250
350
610
5
16
63
160
320
450
820
9
27
80
215
425
610
1100
16
46
100
290
580
820
1450
27
86
125
355
715
1100
1910
46
140
160
460
950
1450
2590
86
250
200
610
1250
1910
3420
140
400
250
750
1650
2590
4500
250
760
315
1050
2200
3420
6000
400
1300
400
1420
2840
4500
8060
760
2250
500
1780
3800
6000
10600
1300
3800
630
2200
5000
8060
14140
2250
7500
800
3060
7000
10600
19000
3800
13600
1000
4000
9500
14140
24000
7840
25000
1250
5000
13000
19000
35000
13700
47000

Caratteristiche tempo-corrente
Curva che dà il tempo di pre-arco o il tempo di funzionamento in funzione della corrente presunta, in condizioni specificate.

Zona tempo-corrente
Zona compresa tra la caratteristica tempo-corrente di pre-arco minima e la caratteristica tempo-corrente di funzionamento massima, in condizioni specificate


Fig 3. - Durata di funzionamento di un fusibile

Fig. 4 – Esempio di grafico I2t dell’energia specifica lasciata passare da un fusibile

Caratteristiche costruttive della cartuccia fusibile e principio di funzionamento

Costruttivamente un fusibile è costituito da un filamento metallico, normalmente realizzato in rame o in argento, sul quale possono essere praticate delle strozzature che ne favoriscono l’intervento.

Queste particolari sagomature (fig. 5) determinano diverse condizioni di riscaldamento, e quindi di fusione, permettendo di ottenere, se opportunamente calibrate, sia la protezione contro le correnti di sovraccarico, di piccola/media intensità e di lunga durata, sia la protezione contro le correnti di corto circuito, di elevata intensità ma di breve durata.
Le correnti di sovraccarico sono correnti anomale di bassa intensità che devono essere interrotte in tempi, variabili dalle ore ai secondi, inversamente proporzionali alla corrente stessa. La caratteristica di intervento in sovraccarico prevede un riscaldamento uniforme dell’elemento fusibile di tipo non adiabatico (con scambio di calore con l'ambiente).



Le correnti di corto circuito sono correnti di guasto di alta intensità che devono quindi essere interrotte in tempi brevissimi, dell'ordine di alcuni millisecondi.
Il riscaldamento dell’elemento fusibile è di tipo adiabatico (senza scambio di calore con l'ambiente esterno) con un aumento della temperatura più rapido nei tratti a sezione inferiore a più elevata resistenza. Questo determina la fusione in più punti e la formazione di più archi in serie che facilitano una più rapida interruzione della corrente.
L’elemento fusibile viene inserito poi in un involucro di ceramica o di altro materiale isolante riempito a sua volta con un materiale sabbioso inerte (solitamente di quarzo) per agevolare ulteriormente lo spegnimento dell’arco che si manifesta durante la rottura dell'elemento fusibile.
Un dispositivo di segnalazione dell’intervento può eventualmente completare la semplice costruzione della cosiddetta cartuccia fusibile. In alcuni fusibili per uso industriale può essere presente anche un percussore che viene attivato al momento della fusione e che può servire per determinare, meccanicamente o tramite un comando elettrico, l'intervento di altri apparecchi.
Il dispositivo di protezione nel suo insieme comprende solitamente anche un elemento porta cartuccia dotato di contatti per la connessione e di sistemi per l’estrazione in sicurezza della cartuccia.

Riassumendo un apparecchio di protezione a fusibile comprende:
  • Cartuccia - In fig. 6 è descritta in tutte le sue parti una tipica cartuccia a bassa tensione per applicazioni industriali. Le cartucce fusibili sono caratterizzate da un elevato potere di interruzione e presentano un intervento estremamente rapido che consente di limitare la corrente a valori notevolmente inferiori alla corrente di cortocircuito presunta nel suo punto di installazione.
    Le cartucce per applicazioni industriali rispondenti alla Norma IEC 60269-2-1 devono possedere un potere di interruzione non inferiore a 50 kA in corrente alternata o 25 kA in corrente continua con correnti nominali comprese fra 2 A e 6000 A.
    Le cartucce fusibili per applicazioni domestiche conformi invece alla IEC 60269-3-1 sono previste per correnti nominali da 2 A a 100 A, con un potere di interruzione non inferiore a 6 kA in corrente alternata. Una delle parti più importanti della cartuccia è l’elemento fusibile costituito da una sottile barretta sagomata tramite stampi di precisione.
    Le dimensioni, la particolare sagoma dell’elemento fusibile e la selezione accurata dei vari materiali, rivestono una notevole importanza nel garantire la sicurezza e la precisione di intervento del dispositivo.
    La cartuccia è connessa alla base o al portacartuccia per mezzo di contatti realizzati in rame o in lega di rame protetti con un rivestimento per impedire la formazione di depositi di materiale non conduttivo. Per evidenziare l’avvenuta fusione del fusibile alcune cartucce possono essere equipaggiate con indicatori o percussori che permettono di riconoscere con facilità l’eventuale intervento del dispositivo di protezione.
  • Base - Parte fissa del fusibile munita di contatti, morsetti e calotte.
  • Portacartuccia - I portacartuccia (eventualmente con maniglie di estrazione) contengono le cartucce e ne devono consentire, secondo regole specificate, la sostituzione in sicurezza. Sono costruite con materiale isolante e sono sottoposte a prove come previsto per gli utensili destinati a lavori sotto tensione. In alcuni apparecchi i portacartuccia sono parte integrante del supporto e risulta inutile l’uso di maniglie di estrazione.

Il fusibile è un dispositivo utilizzato come protezione contro le sovracorrenti che fornisce il meglio di se quanto è richiesta una forte limitazione dell’energia specifica passante e del picco di corrente.

Le sovracorrenti, come si è detto, possono essere fondamentalmente di due tipi:

  • sovraccarichi - Sono correnti tipiche di un circuito elettricamente sano percorso da correnti che possono raggiungere le 6 - 8 volte la corrente nominale, sopportabili per un tempo determinato perché producono sollecitazioni termiche. Un sovraccarico non controllato può evolvere rapidamente in un corto circuito e quindi dovranno essere adottate delle protezioni che intervengano in tempi tanto più brevi quanto maggiore è l’entità del sovraccarico.
  • corto circuiti - Si verificano in un circuito elettricamente guasto a causa di un contatto, di impedenza nulla tra due parti in tensione, che esclude la parte di impianto a valle del guasto. La corrente aumenta molto rapidamente sottoponendo il circuito a sollecitazioni termiche e a sforzi elettrodinamici, provocando archi elettrici che possono essere causa di innesco d’incendio o di esplosioni. Poiché gli effetti di un corto circuito si manifestano in tempi brevissimi il guasto deve essere eliminato quasi istantaneamente.

In presenza di sovracorrenti il fusibile apre il circuito garantendo dei tempi di intervento che decrescono sensibilmente all’aumentare della corrente (fig. 7).



Quando le correnti di corto circuito sono molto alte il fusibile interviene, limitando la corrente, con grande anticipo rispetto al raggiungimento del valore di picco (fig. 8).



Questo comportamento lo si può rilevare anche dalla curva I2t dell’ energia specifica lasciata passare dal dispositivo che si mantiene pressoché costante perché, all’aumentare della corrente, si riducono nel contempo anche i tempi di intervento.

Scelta del tipo di cartuccia

n funzione della capacità di interrompere le sovracorrenti i fusibili possono essere suddivisi in due classi identificate tramite una lettera minuscola:

Cartuccia di tipo “g” (a pieno campo per uso generale) - Sono cartucce limitatrici di corrente in grado di interrompere tutte le sovracorrenti che determinano la fusione dell’elemento fusibile fino al valore corrispondente al suo potere di interruzione nominale.

Cartuccia di tipo “a” (a campo parziale per uso combinato) - Sono cartucce limitatrici di corrente in grado di interrompere tutte le correnti comprese tra la minima sovracorrente indicata sulla caratteristica tempo-corrente (k2In nella Fig. 9) ed il suo potere di interruzione nominale.



In relazione all’apparecchiatura o al dispositivo che sono chiamati a proteggere i fusibili possono essere ulteriormente suddivisi in categorie.
Alla lettera minuscola che identifica il campo di intervento viene aggiunta una lettera maiuscola che specifica il campo di impiego (tab. 3).

Tipo
Applicazioni del fusibile
Caratteristica di interruzione
gG
Usi generali, in particolare per la protezione dei conduttori
campo pieno
gM
Protezione motori
campo pieno
aM
Protezione motori contro il corto circuito
campo parziale
aR
Protezione semiconduttori
campo parziale
gR, gS
Protezione semiconduttori
campo pieno

Così ad esempio la lettera G indicherà un uso generale, la lettera M la protezione motori e la lettera R la protezione dei semiconduttori (fig. 10).

Per scegliere un fusibile devono essere specificati tensione del sistema, frequenza e corrente presunta di cortocircuito.
Devono inoltre essere valutate le caratteristiche tempo-corrente, in funzione dell’applicazione da proteggere e le caratteristiche di interruzione per stabilire se è necessario utilizzare i fusibili unitamente ad altri dispositivi di protezione contro le sovracorrenti. In relazione a quest’ultima caratteristica si possono distinguere due tipi di fusibili:

  • A “campo pieno” - il fusibile può interrompere qualsiasi corrente capace di portare a fusione l’elemento fusibile fino al suo potere nominale di interruzione. I fusibili a campo pieno possono essere autonomamente utilizzati come dispositivi di protezione.
  • A “campo parziale” - sono fusibili adatti ad una protezione di sostegno, destinati a interrompere le sole correnti di cortocircuito. Sono abitualmente impiegati quando si rende necessario aumentare il potere di interruzione di altri dispositivi di protezione contro le sovracorrenti, come ad esempio gli interruttori automatici.

Unità combinate con fusibili

fusibili possono essere associati a interruttori o sezionatori e formare delle unità combinate aggiungendo alla funzione di protezione anche quella di connessione del circuito. Le unità combinate con fusibili sono essenzialmente di due tipi:
  • fusibili interruttori e fusibili interruttori-sezionatori - Sono dispositivi con funzionamento a manovra indipendente (azionamento a scatto) con i contatti collegati in serie alle cartucce;
  • sezionatori con fusibili e interruttori-sezionatori con fusibili – Sono dispositivi con funzionamento a manovra dipendente (azione dipendente) con l’organo di movimento costituito dalla stessa cartuccia.
Poiché un interruttore potrebbe essere in grado di chiudere ma non di aprire in caso di cortocircuito si ricorre alle unità combinate con fusibili dove la funzione di interruzione in cortocircuito è assolta egregiamente dal fusibile stesso.
Se, come normalmente si verifica, l’unità combinata è costituita da un fusibile interruttore-sezionatore o da un interruttore-sezionatore con fusibile è possibile assolvere con un’unica unità alla funzione di protezione, interruzione e sezionamento.
Alcune possibili combinazioni sono rappresentate nella seguente figura.

Vantaggi e svantaggi dei fusibili

Nei confronti della protezione mediante interruttori automatici i fusibili presentano alcuni difetti:
  • non assicurano, in caso di intervento, l'interruzione contemporanea di tutte le fasi del circuito creando, nei sistemi trifase, una situazione di funzionamento bifase che potrebbe danneggiare i motori (anche se esistono relè termici differenziali che risolvono egregiamente il problema);
  • sono richiesti tempi più elevati per il ripristino del circuito.
Tutto sommato però gli aspetti negativi sono di gran lunga inferiori rispetto a quelli positivi. I fusibili forniscono, a costi modesti, elevate prestazioni come limitatori di corrente e garantiscono una protezione completa sia dei circuiti elettrici sia dei loro componenti. Di seguito sono indicati alcuni validi motivi che ne consigliano l’uso.
  • Elevato potere di interruzione - ottime caratteristiche di interruzione e di limitazione;
  • Adattabilità - in caso di ampliamenti si adegua facilmente, con costi limitati, alle nuove caratteristiche degli impianti, anche quando si ha un aumento delle correnti di guasto;
  • Affidabilità – Completamente statico senza alcun organo in movimento, non necessita di manutenzione, la sua sostituzione ristabilisce le condizioni originarie;
  • Sicura eliminazione del guasto – dopo l’intervento i fusibili, a differenza di altri dispositivi di protezione, devono essere sostituiti e il collegamento elettrico del circuito può essere ripristinato solo dopo aver rimosso la causa che ne ha provocato l’apertura;
  • Economicità - elevati livelli di protezione a basso costo;
  • Piccole dimensioni - dimensioni estremamente contenute;
  • Sicurezza di funzionamento - Intervento sicuro e silenzioso senza emissione di gas, fiamme, archi, scintille o altri materiali;
  • Coordinamento con altri dispositivi – garantiscono un semplice e sicuro coordinamento con gli altri dispositivi;
  • Prestazioni normalizzate - Le cartucce rispondenti alle norme IEC 60269 sono facilmente reperibili in qualunque parte del mondo;
  • A prova di manomissione – La loro taratura non è modificabile, il livello delle prestazioni non può essere regolato evitando quindi la possibilità di un uso non corretto.