1.0 GENERALITÀ

L’interruttore differenziale è un dispositivo sensibile alle correnti di guasto verso terra (c.d. correnti differenziali), quindi alla somma vettoriale delle correnti che percorrono i conduttori attivi del circuito. In condizioni normali di isolamento la corrente differenziale I_d è nulla; essa assume un valore diverso da zero solo se si manifesta un guasto verso terra.

L’utilizzo dell’interruttore differenziale consente di attuare:

• la protezione contro i contatti indiretti;
• una protezione addizionale contro i contatti diretti con parti in tensione o per uso improprio degli apparecchi;*la protezione contro gli incendi causata dagli effetti termici dovuti alle correnti di guasto verso terra.
  

L'uso degli interruttori differenziali con corrente differenziale nominale d'intervento non superiore a 30 mA è considerato dalle norme un metodo addizionale per la protezione contro i contatti diretti.

La protezione differenziale contro i contatti diretti, infatti, presenta delle limitazioni:

• non interviene per elettrocuzione fra due fasi del sistema;
• in caso di elettrocuzione per contatto con una parte in tensione e la terra (o una massa o massa estranea) non evita all'infortunato la “scossa” elettrica, con ciò che ne consegue in termini di eventuale incidente indiretto, dovuto alla rapida ritrazione dell'individuo e quindi a possibilità per lui di urti o cadute. Il fatto che sia la corrente di elettrocuzione a far intervenire il differenziale (pur in tempi molto brevi), non consente inoltre di escludere che nell'infortunato possa insorgere la fibrillazione ventricolare.
  

Di seguito vengono esposti i casi piùrappresentativi in cui l’interruttore differenziale potrebbe non intervenire in caso di contatto diretto.
La figura 1 rappresenta un contatto diretto bipolare di una persona con due parti attive nel circuito. La persona è attraversata da una corrente tra le braccia e da una corrente verso terra I₂. L’interruttore differenziale sente solo la corrente verso terra. Se questa corrente è inferiore alla soglia d’intervento, l’interruttore differenziale non interviene. Se interviene, lo fa nei tempi relativi alla corrente di guasto verso terra e non a quella che complessivamente attraversa la persona.

figura1.jpg

Un guasto a terra del conduttore di neutro non dà origine a una corrente apprezzabile verso terra, perché in condizioni ordinarie il neutro si trova a un potenziale prossimo a zero. A volte, non c’è bisogno di un guasto: il conduttore di neutro è messo a terra a valle dell’interruttore differenziale, perché viene confuso con il conduttore di protezione, essendo entrambi al potenziale zero. Il contatto a terra del conduttore neutro può permanere per un tempo indefinito. Se la persona tocca una fase e con un’altra parte del corpo una massa, oppure una massa estranea in contatto con il conduttore di neutro, si stabilisce la stessa situazione circuitale di contatto bipolare del caso precedente, fig.2. L’interruttore differenziale non interviene, oppure interviene nei tempi dovuti alla corrente che attraversa la persona verso terra (I₂), mentre il soggetto è attraversato anche da una corrente (I₁) che non è avvertita dall’interruttore differenziale.

Fig.2.jpg

In fig.3 l’interruttore differenziale è tripolare e sente la somma vettoriale delle correnti verso terra sulle tre fasi. La persona è in contatto con una fase; le altre due fasi hanno una corrente di dispersione verso terra non trascurabile, fig. 3 a). L’interruttore differenziale interviene in base alla risultante vettoriale delle tre correnti(I_ris), mentre la persona è attraversata da una sola di queste tre correnti, dunque l’azione protettiva è ridotta, fig.3 b.)
Al limite se le tre correnti sono uguali è sfasate di 120°, la risultante è nulla e l’interruttore differenziale non interviene, qualunque sia il valore della corrente che attraversa la persona, fig.3 c).

Fig.3.jpg

2.0 CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERRUTTORI DIFFERENZIALI

Incominciamo col dire che l’interruttore differenziale, può essere senza sganciatore di massima corrente (differenziale puro) o con sganciatore di massima corrente (differenziale magnetotermico). Gli interruttori differenziali puri devono essere installati in serie al dispositivo di protezione contro le sovracorrenti.

Gli interruttori differenziali si differenziano per la loro attitudine al rilevamento di diverse forme d’onda dicorrente differenziale.
In funzione dell’elettronica presente nel dispositivo da proteggere, si possono verificare diverse tipologie di corrente di dispersione. Poiché gli interruttori differenziali si differenziano per la loro attitudine a rilevare forme di correnti di guasto diverse, nella loro scelta occorre tener conto della tipologia di utilizzatore.
Gli interruttori differenziali di Tipo AC sono adatti solo per il rilevamento di correnti di guasto alternate di formasinusoidale.
Gli interruttori differenziali di Tipo A, oltre alle correnti di guasto alternate di forma sinusoidale, rilevano anche correnti di guasto alternate e pulsanti sinusoidali. Questo interruttore differenziale, essendo sensibile anche alle correnti pulsanti, permette di controllare eventuali correnti di guasto che potrebbero generarsi con l'impiego di utilizzatori aventi dispositivi elettronici.
Gli interruttori differenziali di Tipo F, oltre alle funzionalità del Tipo A, sono realizzati per la protezione di convertitori di frequenza monofase. I tipo F sono stati recentemente introdotti dalla normativa IEC EN 62423, e prevedono rispetto al Tipo A standard le seguenti caratteristiche:

• campo di intervento per correnti didispersione da 10 Hz a 1k Hz;
• ritardo intenzionale all’intervento(10 ms);
• prova di tenuta all’impulso 3 kA;
• tolleranza alla corrente continuasovrapposta fino a 10 mA.

Gli interruttori differenziali di Tipo B, oltre al rilevamento delle forme di corrente di guasto del Tipo F, sono utilizzati anche per il rilevamento di correnti di guasto di tipo continuo. Questa tipologia di interruttore è in grado di garantire la protezione anche in presenza di convertitori di frequenza trifase, è impiegabile a protezione di qualsiasi utilizzatore. Esistono in commercio anche gli interruttori differenziali per ambienti aggressivi, (TIPO I) .
Tali interruttori trovano impiego in condizioni ambientali difficili, con alta concentrazione nell'aria di gas corrosivi, come ad esempio:

• piscine coperte (gas dicloro; ozono);
• ambienti rurali(ammoniaca);
• ambienti industriali (biossido di zolfo),

gli interruttori differenziali vengono chiaramente molto sollecitati.
Su tutte le parti metalliche e quindi anche sulle superfici metalliche del relè di sgancio, questi gas insieme con l'umidità dell'aria agiscono in modo corrosivo. Negli interruttori differenziali per ambienti aggressivi, che sono contrassegnati con il simbolo I, è presente, per tale tipo di problematica, un dispositivo brevettato che evita la formazione della condensa, allungando notevolmente la vita dei differenziali. Questo dispositivo provoca il riscaldamento diretto del relè di sgancio in modo da ottenere, con una potenza minima, una temperatura leggermente aumentata sulle parti metalliche. In questo modo viene evitata la condensazione dell'aria umida in cui si sono accumulati gas dannosi, e così non possono sorgere i relativi effetti corrosivi. Ciò comporta una maggiore durata degli apparecchi. Per il riscaldamento è necessaria una tensione di alimentazione. Per garantire l'attivazione del riscaldamento, anche nel caso in cui l'interruttore differenziale dovesse rimanere per diverso tempo disinserito, bisogna prestare attenzione al lato di alimentazione. Per attivare il riscaldamento bisogna alimentare il differenziale dal basso. La funzione di protezione dell'interruttore differenziale poi, come bprevisto dalla norma di prodotto, è assolutamente indipendente dalla tensione di rete.
Sono stati introdotti in commercio i differenziali Tipo K e Tipo G, Antidisturbo con breve ritardo.
Nell'ottica delle prescrizioni pertinenti sono solo due le esecuzioni degli apparecchi: non ritardata e selettiva. Perciò le esecuzioni K e G realizzano i tempi di disinserzione massimi ammissibili per apparecchi non ritardati. I dispositivi di protezione differenziali del Tipo K o G nella loro disinserzione sono leggermente ritardati (ca. 10 ms per correnti di guasto elevate). I tempi di disinserzione delle esecuzioni K o G sono quindi leggermente più lunghi rispetto agli apparecchi standard: ad es. per correnti di guasto > 5 I_dn:ca. 30 ms invece di ca. 10–15 ms. Essi rispettano quindi i massimi tempi di disinserzione ammissibili (40 ms) per le esecuzioni standard . Essi sono contrassegnati con il simbolo K o G.

3.0 SELETTIVITÀ TRA INTERRUTTORI DIFFERENZIALI

Qualunque differenziale (A, AC, e B) può essere di tipo S. Sono caratterizzati da un intervento ritardato (o regolabile per apparecchi rispondenti alla norma CEI EN 60947-2) rispetto altri differenziali di tipo istantaneo. Sono utilizzati quando occorre realizzare la selettività differenziale.

Se si impiega un dispositivo differenziale a monte dell’impianto, la selettività può essere realizzata(ovviamente) solo impiegando interruttori differenziali anche a valle. Impiegando interruttori differenziali per uso domestici e similari, di cui uno di tipo S a monte e uno di tipo generale a valle, si assicura una selettività totale della corrente differenziale nominale di quello a monte è almeno tre volte quella dell’interruttore a valle. Ad esempio si ha selettività se l’interruttore a monte è di tipo S ed ha una I_dn = 100 mA de quello a valle una I_dn = 30 mA. Qualora sia richiesta una selettività su tre o più livelli è necessario ricorrere anche a dispositivi ritardati con ritardo definito.

4.0 INTERVENTI INTEMPESTIVI

Si dice che l’interventodell’interruttore differenziale è intempestivo quando non è necessario per la sicurezza. Questi interventi sonoparticolarmente dannosi perché:

• Compromettono la continuità di servizio;
• Spingono l’utente a disattivarel’interruttore differenziale.

Alcuni interventi in tempestivi sono dovuti a:

• Presenza di filtri verso terra dovuti amotivi di compatibilità elettromagnetica;
• Presenza di armoniche ad alta frequenza che, tramite la capacità parassita dell’impianto, causano forti correnti verso terra;
• Sovratensioni di rete dovute a cause atmosferiche o a manovre di apertura e chiusura di carichi importanti;
• Elevate correnti di spunto che possono causare difformità nel toroide.

Per evitare gli interventi intempestivi il mercato mette a disposizione tanti tipi di differenziali:

• Differenziali con correnti nominali diintervento più elevate dove ci sono filtri EMC, armoniche ad alte frequenze;
• Differenziali ritardati che sono insensibili ai transitori di breve durata;
• Differenziali per correnti continue o pulsanti, quando la corrente di guasto non è alternata sinusoidale;

In alcuni tipi di interruttori differenziali di elevata corrente nominale, il toroide separato dell’interruttore differenziale deve essere montato direttamente sul cavo del circuito protetto. Se il cavo multipolare, o i cavi unipolari, non sono ben centrati nel toroide, la parte del materiale magnetico prossimo al cavo può andare in saturazione, ciò implica che il flusso non è più proporzionale alla corrente che percorre la fase più vicina al toroide e il flusso risultante non è zero, anche se lo è la somma delle correnti. Questo può determinare interventi intempestivi dell’interruttore differenziale, tanto più quanto minore è il diametro del toroide rispetto a quello del cavo multipolare o del fascio di cavi unipolari.

5.0 INTERRUTTORI DIFFERENZIALI E UPS

In presenza di UPS senza trasformatoredi separazione, gli interruttori vanno impiegati soltanto se indispensabili perl a protezione contro i contatti indiretti quindi:

• sempre nei sistemi TT,
• nei sistemi TN soltanto se non è possibile conseguire la sicurezza mediante protezione di sovracorrente.

Nei casi in cui è necessario l'impiego di protezioni differenziali sul carico, è importante che l'UPS non alteri il regime di neutro in uscita rispetto a quello di ingresso. La conservazione delregime di neutro è sicuramente assicurata in UPS con Neutro Passante, in cui il neutro di ingresso coincide con il neutro di uscita. Nell'utilizzare protezioni differenziali va considerato che tutte le apparecchiature elettriche fanno uso di filtri EMC al loro interno che provocano piccole correnti di dispersione verso terra; queste correnti di dispersione, sommate tra loro e sommate a quella dell'UPS, potrebbero provocare l'intervento intempestivo del differenziale; a tal proposito, per ottenere una selettività maggiore sull'impianto è consigliabile utilizzare differenziali da 0,03 A (e di tipo A) in uscita all'UPS a protezione dei carichi contro contatti indiretti (CEI 64-8) e utilizzare differenziali da 0,3 A o superiori a monte dell'UPS di tipo (S). In questo modo i carichi saranno protetti dagli interruttori a valle dell'UPS, e le correnti di dispersione dei carichi (anche se sommate con le correnti di dispersioni dell'UPS) non provocheranno mai l'intervento intempestivo della protezione a monte dell'UPS. Quanto sopra descritto è in linea generale; la soluzione ottimale è quella dichiedere la costruttore dell’UPS la tipologia di differenziali da utilizzare sia a monte sia a valle del gruppo statico di continuità.

6.0 INTERRUTTORI DIFFERENZIALI E SPD

Se gli SPD sono installati a valle dell’interruttore differenziale, l’eventuale corrente susseguente provoca l’intervento dell’interruttore e la protezione contro i contatti indiretti è garantita. In questa situazione la sovratensione sollecita però l’interruttore differenziale, il quale deve essere di tipo S. Gli SPD (senza spinterometro)hanno una corrente di dispersione verso terra a 50 Hz (Ic) di qualche milliampere (tale valore è indicato dal costruttore). Tale corrente di dispersione va a sommarsi alle altre correnti di dispersione presenti nell’impianto e ne va tenuto conto nella scelta della soglia di intervento I_dn dell’interruttore differenziale installato a monte. Se la linea elettrica che alimenta l’edificio è colpita direttamente da un fulmine, la sovratensione assume la forma d’onda 10/350 μs, aumenta il valore di picco e il suo contenuto energetico può danneggiare anche l’interruttore differenziale di tipo S. Ad esempio se la somma del numero annuo dei fulmini diretti sull’edificio (ND) e sulla linea (NL) è maggiore a 0,01 fulmini/annuo bisogna installare ad arrivo linea un SPD di tipo 1 in questo è opportuno installare l’SPD a monte dell’interruttore differenziale.

(bibliografia: TNE supplemento novembre 2000, TNE articolo febbraio 2003, TNE articolo luglio 2000, TNE gennaio 2013, Manuale degli impianti elettrici decima edizione 2012 editore Delfino)