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Un gioiello a prezzo sociale, viaggio dentro l'interruttore "salvavita"

Indice

Premessa

Avevo intenzione di fare una trattazione più estesa, ma ad una prima rilettura l'articolo sembrava eccessivamente pesante e dispersivo. Inoltre, argomenti riguardo temi quali le sovracorrenti, i contatti diretti e indiretti, la finalità dell'impianto di messa a terra, nonché gli schemi tipici dei circuiti di guasto, sono stati più volte trattati nel forum e nei blog di utenti certamente più competenti del sottoscritto, quindi darò per scontate una serie di informazioni teoriche di base e mi concentrerò nella semplice esplicazione di alcuni concetti.

Il magnetotermico differenziale compatto

Trattasi del componente di protezione maggiormente diffuso negli impianti elettrici domestici, erroneamente conosciuto col nome di "Salvavita" (*); si tratta in realtà di un interruttore combinato che associa alla protezione contro le sovracorrenti (corto circuito e sovraccarico) quella dai guasti a terra (dispersioni) ovvero da quelli che vengono anche chiamati contatti indiretti.

(*) Come molti sapranno, il termine Salvavita ® é il nome commerciale che Bticino adotta da molti anni per i propri dispositivi differenziali, siano essi di tipo puro che di tipo associato ad interruttore magnetotermico.
Per questa ragione, sarebbe il caso di non attribuire al dispositivo in questione, un potere salvifico, che oggettivamente questi non garantisce.
Quando il valore della corrente nominale differenziale dell'interruttore è uguale o inferiore a 30 mA, esso risulta idoeno anche come protezione addizionale contro i contatti diretti (parte del corpo a diretto contatto con un conduttore sotto tensione).

magnetotermico differenziale compatto

magnetotermico differenziale compatto

Vediamo come funziona

In molti hanno sicuramente aperto un interruttore come quello che segue, io a dire il vero, prima di oggi non l'avevo mai fatto fidandomi di quanto mi è stato insegnato circa questi dispositivi.
Avevo aperto un interruttore scatolato qualche anno fa, per indagare su un guasto particolare, ma nulla di più.
Quanto segue, è destinato a chi invece, non ha mai avuto la possibilità o la voglia di smembrare in tutti i suoi pezzi un interruttore MTD.
Cercherò di individuare i vari componenti ed illustrarne il funzionamento di massima.

Primo passo, scomporre l'interruttore

A fare da "cavia", sarà questo vecchio DS642.

cavia

cavia

Per prima cosa, dopo avere forato le spine di collegamento tra i due moduli, disaccoppiamo l'interruttore.

disaccoppiamento moduli

disaccoppiamento moduli

In questo tipo di interruttore (1P+N) la protezione magnetica e termica si trova nel modulo di sinistra (in foto), mentre il dispositivo di rilevamento della corrente differenziale si trova nel modulo a destra.
L'intervento degli sganciatori, viene trasmesso attraverso i due moduli da apposite leve, ingranaggi e molle di rinvio.

Il modulo differenziale

dentro il differenziale

dentro il differenziale

Individuazione dei componenti

riferimenti

riferimenti

Lo schema di principio che contraddistingue qualsiasi interruttore di protezione, prevede in ogni caso:

  • Un dispositivo di rilevamento della grandezza elettrica o fisica che si vuole monitorare
  • Un sistema di valutazione intrinseco e di taratura specifica, che stabilisca come il dispositivo deve comportarsi in relazione allo stato del sistema e della variabile controllata
  • Una logica meccanica associata che intervenga in determinate condizioni nelle modalità previste a seconda del tipo di dispositivo in oggetto

Funzionamento del differenziale

Lo scopo dell'interruttore differenziale è quello di rilevare la presenza di una dispersione di corrente (se questa ovviamente risulti uguale o maggiore del setpoint di taratura del dispositivo di rilevazione), in tal caso esso deve anche procedere all'apertura del circuito.

Per intercettare un'eventuale fuga di corrente (verso terra), viene sfruttato il primo principio di Kirchhoff (correnti nei nodi), il quale afferma che, in un nodo, la somma delle correnti entranti è uguale a quella delle correnti uscenti, per questo motivo il cervello dell'interruttore differenziale è indubbiamente il trasformatore di corrente, sul cui toroide sono relizzati due avvolgimenti primari (uno con le spire di fase e uno con quelle di neutro) e un avvolgimento secondario o differenziale.

In condizioni normali, nei due avvolgimenti primari scorre una corrente uguale e contraria, la cui somma vettoriale risulta nulla.

In ragione di questo fenomeno, il flusso elettromagnetico nel toroide risulta anche esso nullo e sull'avvolgimento secondario non si instaura alcuna forza elettromotrice.

Durante il guasto a terra, una parte della corrente che alimenta il circuito, non ritorna più attraverso il percorso ordinario e quindi non attraversa il toroide, generando su di esso uno squilibrio e quindi un flusso magnetico diverso da zero.

Il flusso magnetico nel toroide genera una f.e.m. ai capi dell'avvolgimento secondario al quale è collegato un attuatore di sgancio magnetico a smagnetizzazione (equiparato volgarmente ad un comune solenodie) che, energizzandosi, mette in movimento un'ancora o un pistoncino che agisce sul circuito di sgancio dell'interruttore.

Se il trasformatore amperometrico è il cervello, l'attuatore con sganciatore magnetico a smagnetizzazione è senza dubbio il cuore del dispositivo differenziale, lo vedremo più avanti in dettaglio

Condizione di equilibrio

solenoide a riposo

solenoide a riposo

Ed ecco l'attuatore (solenoide) di sgancio, nel dettaglio

attuatore a smagnetizzazione Schupa

attuatore a smagnetizzazione Schupa

Gli interruttori differenziali normalmente utilizzati nelle nostre abitazioni, sono detti "a sgancio indipendente", non viene infatti fornita alcuna tensione ausiliaria al dispositivo di sgancio, che si energizza attraverso la sola energia fornita dal guasto.
L'attuatore in questione necessita infatti di una piccolissima energia di attivazione, nell'ordine dei μW.
Tra tutti i componenti del differenziale, esso è sicuramente il più delicato e allo stesso tempo anche il più sofisticato, basta guardarlo da vicino per rendersene conto.

Condizione di squilibrio

solenoide eccitato

solenoide eccitato

il solenoide energizzato

il solenoide energizzato

Dalle immagini, risulta intuitivo quanto il circuito elettromeccanico di sgancio, di per se semplice ed intuitivo, abbia comunque dei punti critici.

Leverismi, molle, pistoncini, sembra di trovarsi dentro la meccanica di un orologio a lancette e come tutti i circuiti comandati da organi meccanici, questi devono essere tenuti in periodico allenamento, ma va sottolineato come sia fondamentale tenere allenato anche lo sganciatore a smagnetizzazione.

Un interruttore differenziale infatti, può anche dovere intervenire una sola volta nel suo ciclo di vita e sarebbe fallimentare constatarne la mancata efficienza a causa di un blocco o un di un'incertezza del solenoide.

Proprio per questo motivo è essenziale non trascurare di eseguire periodicamente il test previsto.
E' un operazione che dura un attimo, basta premere il pulsantino T, constatare lo sgancio e riattivare il dispositivo, una prova del tutto priva di difficoltà e problematiche varie che può fare la differenza in quell'unica occasione in cui il dispositivo venisse chiamato in causa.
Quanti lo fanno? Pochi, troppo pochi.

Ma vediamo cosa succede premendo il pulsante di test.

Il tasto di prova

Per fare sgranchire periodicamente gli organi meccanici dell'interruttore, ma anche e soprattutto l'attuatore magnetico e il circuito di sgancio in generale, ogni interruttore differenziale è dotato di un tasto di prova (T).

Tale tasto non fa altro che chiudere un contatto che va ad alimentare una resistenza di circa 3,3 kohm (nel nostro differenziale da 30 mA) collegata tra fase e neutro (con fase prelevata a valle del toroide e neutro a monte).

resistenza incapsulata

resistenza incapsulata

resistenza 3300 ohm ± 10%

resistenza 3300 ohm ± 10%

Multimetro alla mano, trovo un valore di 3,26 kohm sul resistore in oggetto.

Applicando la legge di Ohm, ci viene dimostrato il motivo per cui, tale prova, non dia informazioni utili circa la bontà salvifica dell'interruttore, ma ci dà solo prova del corretto funzionamento del circuito di sgancio da cima a fondo, infatti:

I=\dfrac {V} {R}=\dfrac {230} {3300}=0,069A


Per norma, la corrente di prova non deve essere superiore a 2,5\cdot I_{\Delta n}

Va ricordato che la prova col pulsante di per se, non da alcuna informazione sul valore di corrente differenziale minima nè sul corretto tempo di intervento del dispositivo.
Una vecchia indagine statistica, si concludeva col risultato che solo il 24% dei dispositivi "difettosi" vengono smascherati attraverso il test periodico, ossia, su 100 differenziali non conformi (per tempo e/o corrente di intervento e/o per bloccaggi), solo 24 fallivano al test del pulsante di sgancio. Il resto interveniva con tempi e correnti superiori a quanto prescritto dalle norme.
Tuttavia è evidente, come un intervento sia pure leggermente ritardato o con una Idn leggermente superiore a quanto richiesto, sia auspicabile rispetto ad un mancato intervento!

Qualche altro particolare

In queste ultime tre foto, ecco qualche altro dettaglio.

Nella prima foto si può vedere che ai capi dei conduttori (provenienti dal toroide) che alimentano l'attuatore di sgancio, c'è qualcosa, un componente, protetto da apposita guaina isolante.

insieme componenti

insieme componenti

Dopo averlo scartato, vediamo che si tratta di un diodo 1N4007 il cui unico scopo presumo (visto il tipo di collegamento in parallelo) sia quello di ridurre in qualche modo i fenomeni di disturbo tosando le semionde positive.

1N4007 ai capi della bobina

1N4007 ai capi della bobina

La terza foto, mostra invece un particolare del nucleo del trasformatore toroidale.

toro

toro

Il modulo magnetotermico

dentro il magnetotermico

dentro il magnetotermico

Individuazione dei componenti

lista componenti

lista componenti

Funzionamento del magnetotermico

Il modulo magnetotermico è composto dall'insieme di due sganciatori ben distinti, quello magnetico e quello termico.
Cortocircuito e sovraccarico, sebbene facciano parte delle cosìdette sovracorrenti, sono fenomeni ben diversi.
Il cortocircuito è generalmente identificato come un collegamento ad impedenza trascurabile tra due o più conduttori di linea; la corrente di guasto in questi casi è generalmente molto elevata centinaia o migliaia di ampere, così anche l'energia liberata.
E' evidente come questo tipo di guasto debba essere prontamente interrotto; di ciò si prende carico la protezione magnetica.
Il sovraccarico, al contrario del cortocircuito, interessa normalmente un circuito elettricamente "sano"; un'eccessiva richiesta di corrente infatti, può essere determinata dall'utilizzo di più carichi connessi alla conduttura in esame, ed una richiesta di corrente eccedente la corrente nominale dell'interruttore (che ricordiamo, è preposto alla protezione dei cavi) provoca surriscaldamento per effetto Joule ed intervento della protezione termica.
Ma vediamo nello specifico cosa succede nel modulo magnetotermico nel primo e nel secondo caso.

La protezione magnetica

magnetica

magnetica

Nei primi istanti del cortocircuito, le spire avvolte sulla barretta magnetica (blu) vengono interessate da un elevato flusso di corrente che genera un campo magnetico in grado di determinare lo spostamento interno di un cilindretto (percussore) cha agisce a sua volta sui dispositivi meccanici di apertura dei contatti.
Durante l'apertura, i contatti mobili sono interessati da un transitorio elettrodinamico abbastanza "stressante"; per facilitare l'estinzione dell'arco elettrico che si viene a creare in siffatte condizioni, vengono utilizzati degli appositi elementi spegniarco, in questo caso si tratta di una "camera".

camera d

camera d'arco

camera d

camera d'arco

La funzione della camera d'arco è quella di creare un percorso di fuga predeterminato e favorevole all'arco appena innescato, con lo scopo di allungarlo fino ad estinguerlo.

La protezione termica

termica

termica

bimetallo

bimetallo

La lamella bimetallica risulta vincolata in maniera tale che un flusso di corrente superiore alla taratura del dispositivo (realizzata attraverso la vite visibile nella seconda figura) per effetto Joule ne deformi il profilo, inarcandolo, rispetto ad una estremità (secondo punto vincolante) meno "reattiva".
Quando la curvatura raggiunge il punto massimo (per la taratura impostata) la lamella ha già attivato il dispositivo di sgancio dell'interruttore.

Il sovraccarico è un fenomeno con maggiore isteresi, rispetto ad un cortocircuito.
Il principio utilizzato daltronde è insito di condizionamenti dovuti all'ambiente esterno (la temperatura in prima istanza); le stesse norme tecniche, stabiliscono dei tempi e dei limiti di sovraccaricabilità entro i quali lo sganciatore termico debba o meno intervenire.
Per questo motivo, va preso atto che un interruttore con In (corrente nominale) pari a 20 A (per fare un esempio), non interverrà entro un'ora per con una corrente di sovraccarico del 13%, ossia 22,6 A, dovrà invece certamente intervenire entro un'ora, con una corrente di sovraccarico del 45%, ovvero 29 A.

Conclusione e riflessione

Rileggere un proprio articolo è sempre un trauma per il sottoscritto, c'è sempre una vocina che suggerisce di rottamare e cestinare tutto perché non all'altezza del portale, poi ricordo che si tratta solo del mio piccolo e personale blog e questo mi riporta con i piedi per terra, consapevole che errori inevitabili, concettuali, di esposizione o di forma possano essere tranquillamente segnalati a beneficio del sottoscritto e di chiunque si soffermasse a leggere.
L'unica cosa che mi infastidisce è il ricorso alla ripetizione di alcuni concetti, ma ho stravolto l'articolo cancellando interi paragrafi e si è persa la scorrevolezza che intendevo concretizzare, pazienza.
Mi raccomando, premete il pulsante T di tanto in tanto.

Un ringraziamento particolare a 6367 che indirettamente mi ha dato degli spunti interessanti riguardo al tema trattato, chissà che non sia egli stesso ad aggiungere qualche commento e qualche info in più sull'attuatore a smagnetizzazione.

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Commenti e note

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di ,

Bell'articolo, complimenti!

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di ,

articolo interessante e comprensibile perfino per me :-) Uno scrupolo Attilio, nel testo sembra che tu definisca il DS642 del tipo 1P+N, ma cercando in rete e anche vedendo le foto (dove mi sembra sia interrotto anche il 2o polo) a me sembra un 2P. Forse credo di aver capito ma non è così :-(

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di ,

articolo interessante e comprensibile perfino per me :-) Uno scrupolo Attilio, nel testo sembra che tu definisca il DS642 del tipo 1P+N, ma cercando in rete e anche vedendo le foto (dove mi sembra sia interrotto anche il 2o polo) a me sembra un 2P. Forse credo di aver capito ma non è così :-(

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Bravo Attilio, ben fatto ed interessante.

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Spettacolare!!! Bravissimo!!!

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bravo.

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Grazie davvero SalvInt! E un grazie anche a te... Giove

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Eccellente! Grazie!

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Spesso ci si pone tale domanda "Ma sai che mi sono sempre chiesto come funziona?", e grazie ad articoli completi come il tuo, tali domande trovano le risposte più adatte; inoltre si impara ad apprezzare di più l'opera di chi progetta tali dispositivi. Quindi [B]Attilio[/B] (l'n-simo) grazie!!

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Ahahahah mmm buono! :P

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errata corrige: "meusa" e non "menusa" (malefica tastiera!)

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Claudio sei troppo buono (cuomu u pani ca'menusa!) grazie!

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Sei un grande Attilio! Lavoro lodevole, bello, bello , bello!!! :)

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Grzie mir, l'interruttore in oggetto credo fosse ancora funzionante, stavo ordinando il magazzino e ho fatto un pò di pulizia di roba vecchia. In altre circostanze l'avrei lasciato lì dov'era per chissà quanto altro tempo, ma come ho detto, in questo periodo, il tempo libero non mi manca e così mi è venuto in mente di smontarlo. Vedo che anche tu ti dai da fare però :) ciao

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di ,

Ottimo lavoro Attilio. Capita sovente di sostituire simili apparecchi dandone oramai per scontato il funzionamento e la relativa costituzione, ma ogni tanto è interessante fermarsi e sezionarne qualcuno (guasto ovviamente), così anche solo per curiosità; e devo ammettere che questa curiosità a volte prende il sopravvento. Giorni fà ho sezionato un MTD quadripolare by Siemens ... interessante ... è questa curiosità .. :D Ciao e Grazie per l'Articolo.

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@faberebaf grazie! Non credo di potere spiegarne il funzionamento... senza aprirla! Ma penso che ne la signora ne tua moglie sarebbero daccordo :) Io della mia non posso assolutamente lamentarmi.

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Veramente Grazie Attilio !! Dato che non ho ancora capito come funziona, potresti fare lo stesso lavoro con la capoccia di mia suocera ?.

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Caspita quanti siete! Procedo con ordine: @nollo grazie! però, beh, il termine "leonardiana" mi sembra eccessivo, io l'ho solo smontato, leonardo probabilmente sarebbe stato in grado di inventarlo! @VRI grazie! @matteo375 grazie anche a te! La mia curiosità più grande se restiamo sullo smontaggio per vedere come é fatto, riguarda i differenziali di tipo A e B, ma é una curiosità che mi tengo volentieri visto il costo proibitivo di tali dispositivi! @DADO91 grazie davvero, soprattutto per gli auguri! @MassimoB Grazie Massimo! @Lelettrico si, ho un link di Siemens a riguardo, ma devo ancora aprirlo e guardarlo con calma. @AndreB quando l'avrai costruito, ricordati di eseguire il test periodico :) @Lele grazie carissimo! @m_dalpra grazie, pensa che molte delle didascalie le ho rifatte almeno due volte, sono negato con "paint" e sono quasi certo di saperlo usare a non più del 10% delle sue potenzialità. @Carlo M.M. eheh, grazie! Ma davvero mi ci vedi a scrivere manuali? Io per niente! Ho bisogno della mia "trincea"! Spero di non avere dimenticato nessuno

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di ,

Grazie Attilio, un bellissimo articolo. Per la ricchezza di dettagli potresti avere un futuro come redattore di manuali :-) Chissà mai!

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Bravissimo Attilio ! Complimenti per il lavoro di fotografare tutti quei pezzettini e di mettere le didascalie (e soprattutto per la pazienza !!!)

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Bello bello... complimenti Attilio :D

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Bravissimo Attilio! Leggendo le tue speigazioni e vedendo le foto adesso potrò costruirmene uno in casa! :)

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@Attilio Sto cercando il brevetto originale, non vorrei dire bestialita' ma mi sa che e' Siemens. Quello li col diodo sembra un polarizzato (incidentalmente mancano meta delle semionde cosi ha meno probabilita' di triggerare ... tie'). Anche ABB ha qualcosa di recente come brevetti ... qui forse 6367 pou' saperne piu di me

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di ,

Complimenti :)

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Grande attilio!!! Era da un pò che mi chiedevo come funzionassero in dettaglio magnetotermici e differenziali! Grazie di aver soddisfatto la mia curisità, continua così! In bocca al lupo anche per il lavoro!

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Grazie per questa interessante esposizione, apprezzo l'idea di conoscer gli oggetti smontandoli

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Il magneto termico lo avevo già aperto e ne avevo compreso il funzionamento :) Il differenziale mi mancava :) +1!

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Complimenti! L'idea di smontare per vedere da dentro è splendida, Leonardiana!!! Davvero un bell'articolo.

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Grazie shadonvy, eh... ci proverò, visto che per il momento -purtroppo- ho parecchio tempo libero.

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di ,

Continua a fare articoli cosi Attilio!

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di ,

@Lelettrico, purtroppo dell'attuatore in questione ne sono venuto a conoscenza da pochissimo tempo, devo dire che anche io pensavo vi fosse installato un semplice (comune) solenoide. E'un argomento che mi incuriosice e senza dubbio da approfondire. @6367, grazie! Soprattutto per gli spunti, che la tua competenza riguardo questi dispositivi mi ha trasmesso.

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di ,

Bello, complimenti.

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di ,

Eppero' articolo storico. Per quanto riguarda il "solenoide" o meglio "attuatore di sgancio magnetico a smagnetizzazione" essendo il cuore dell'apparato, ed essendo un componente differente dal classico solenoide, dedicherei un'altro articolo.

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