Interruttore Differenziale o salvavita

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Alvaro
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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da Alvaro » sab mar 04, 2006 9:06 pm

Contenuto del post:

- Introduzione
- Rischio di folgorazione
- A cosa serve
- Principio di funzionamento
- La dispersione
- Perche’ si chiama differenziale
- Quando interviene
- Loro impiego e la resistenza di terra
- Analisi del funzionamento
- Classi dei differenziali
- Cosa c’e’ dentro
- Il pulsante di TEST

Alvaro
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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da Alvaro » dom mar 05, 2006 6:52 pm

Introduzione:
I conduttori elettrici - o fili - che portano alimentazione all'utilizzatore sono, normalmente, rivestiti di idoneo materiale isolante con caratteristiche specifiche d'impiego legate all'utilizzo del conduttore stesso. Ho detto "normalmente" poiche' talune utenze, soprattutto la trazione elettrica, necessita invece di appositi condutttori ma non rivestiti d'isolante, come la motrice elettrica ferroviaria "locomotiva" o il filobus. Ma non sono queste le utenze che ci interessano, bensi' quelle ordinarie e comuni.

L'isolante del conduttore ha caratteristiche specifiche: infatti a seconda dell'uso del conduttore esso ha un appropriato rivestimento: un conduttore per impianto elettrico ordinario non puo' essere impiegato ad esempio nel forno della cucina, perche' il suo rivestimento isolante non regge tali temperature e pertanto se ne dovra' usare uno con adeguato grado di protezione.


Rischio di folgorazione:
Quando tutto funziona a dovere la corrente elettrica se ne sta al suo posto e ordinariamente non c'e' rischio alcuno. Si pensi a tal proposito alle innumerevoli volte che infiliamo e sfiliamo una spina dalla presa. Ma se a causa di qualche "accidente di percorso" capita che il rivestimento isolante del conduttore viene danneggiato, i fili di rame costituenti il conduttore vero e proprio vengono messi allo scoperto ed un contatto anche involontario con essi puo' essere fonte di grossi guai: da una "scossa" piu' o meno forte fino alla folgorazione e quindi il decesso.

Lo stesso vale ad esempio per un motore elettrico: il filo di rame smaltato che costituisce gli avvolgimenti puo' perdere in qualche punto il suo smalto isolante e di conseguenza disperde elettricita'. Essendo poi il motore interamente di metallo, ecco che tale dispersione interna, per conduzione, viene trasmessa su tutta la carcassa del motore e di conseguenza un accidentale contatto con essa equivale a tornare alla situazione precedente.

La corrente elettrica ha un difetto: si usa ma non si vede. Quando la "sentiamo" puo' essere troppo tardi. Anche se umoristicamente, la vignetta rende l'idea di cosa succede quando si viene in contatto con un conduttore che ha perso l'isolamento e la corrente elettrica ci attraversa il corpo e si scarica a terra:
Immagine
E cio' accade se tra noi ed il conduttore si chiude il circuito. Se si e' perfettamente isolati da terra cio' non avviene (a tensioni ordinarie), altrimenti la corrente elettrica usa noi come conduttore per scaricarsi verso terra con i noti risultati.

A cosa serve:
Fortunatamente la tecnologia ci viene in soccorso mettendoci a disposizione un "dispositivo" in grado di interrompere l'alimentazione malauguratamente si dovesse verificare che la corrente elettrica fluisce verso terra per una qualunque ragione e in un qualunque modo. Dato che lo scopo principale di questo "dispositivo" e' proprio quello di evitare che accada di rimanere folgorati, quindi di salvare la vita a colui che involontariamente venga a contatto con la corrente elettrica, tale dispositivo viene comunemente chiamato SALVAVITA, tant'e' che a momenti ci dimentichiamo il suo vero nome: INTERRUTTORE DIFFERENZIALE.


Principio di funzionamento:
Per capire, in parole povere e semplici, come funziona, si tenga presente che qualsiasi utilizzatore elettrico quando funziona "chiude" un circuito: nel caso di utenze monofasi tra fase e neutro e nel caso di utenze trisafi tra le fasi; e funzionando assorbe corrente.

Il differenziale basa il suo funzionamento sul primo principio di Kirchoff che enuncia: "la sommatoria tra le correnti entranti e uscenti e' uguale a zero" e questa e' la condizione richiesta di equilibrio affinche' tale interruttore resti "armato" ossia "acceso".

Per capire meglio tale concetto identifichiamo con Ie le correnti entranti, (che hanno segno algebrico positivo) e con Iu le correnti uscenti (che hanno segno algebrico negativo). Quindi:
(+Ie) + (-Iu) = 0 da cui Ie - Iu = 0. La differenza Ie-Iu prende il nome di delta (Id). Si puo'quindi affermare che il punto di equilibrio di un differenziale e' Id=0.

Nel caso di un impianto monofase la Ie e' uguale alla Iu in quanto esso chiude sul neutro, mentre in un circuito trifase le correnti sono tre e non necessariamente chiudono sul neutro e pertanto il differenziale "calcola" come Ie e Iu la somma delle tre correnti, ovvero identificate le fasi con R , S , T , :
Ie= + (Ir+Is+It); Iu= - (Ir+Is+It) Facciamo un esempio numerico per chiarire:

in monofase ho un carico che assorbe 2 A. Ie=2 ; Iu= -2 ; Id = (+2) + (-2) ; Id = 2-2 = 0

in trifase ho carichi per R=1 A; S=2 A; T=5 A ; Ie = (1+2+5) = 8 A ; Iu = -8 ; Id = 0.


La dispersione:
Quando, per una qualunque ragione, un conduttore viene messo a nudo e tra esso e la terra si chiude il circuito, questa situazione viene detta dispersione. Oltre all'impianto di terra vero e proprio, per chiudere il circuito verso terra quando si e' in contatto con il conduttore e' sufficiente, ad esempio:
- toccare un rubinetto;
- toccare una qualunque tubatura metallica (acqua, gas, termosifoni, ecc)
- non essere sufficientemente isolati da terra o avere i piedi nudi direttamente sul pavimento;
- toccare l'acqua che esce da un rubinetto;
- toccare una massa metallica comunque collegata a terra (la carcassa metallica ad.es. della lavatrice)
-
In presenza di una dispersione verso terra la corrente si ramifica, ossia parte segue il circuito principale e parte segue la fuga verso verso terra, per cui questa sommatoria risulta diversa da zero in quanto la corrente entrante e' maggiore della corrente uscente. Il disegno seguente chiarisce il concetto:
Immagine
Fig. 1
In condizioni normali tutta la corrente circola attraverso il carico C; sia l'amperometro in entrata Ae che l'amperometro in Uscita Au misurano lo stesso valore.

Fig. 2
In condizioni anomale di dispersione verso terra D la corrente si divide: parte circola nel carico C e parte si scarica verso terra: l'amperometro in entrata Ae e l'amperometro in uscita Au misurano valori differenti. Ae misura un valore piu' elevato di Au. Il corpo delle freccie rosse indicanti la circolazione della corrente chiarisce visivamente cosa accade.


Perche' si chiama differenziale:
Un interruttore differenziale interviene solo quando si verifica la condizione di Fig. 2, ossia quando Ie > Iu, o se vogliamo quando Id > 0, vale a dire quando esiste differenza tra le due correnti, da cui il nome di DIFFERENZIALE.


Quando interviene:
Se fissiamo il valore della corrente dispersa (delta) ad un certo valore, ad esempio 30 milliampere o 0,03 A si identifica in modo inequivocabile il delta tra le due correnti, ovvero la differenza massima nominale che e' ammessa tra la corrente di entrata e quella di uscita. Appena si raggiunge questo valore o lo si supera l'interruttore interviene disarmandosi automaticamente, "scatta", ovvero apre i contatti togliendo alimentazione. Naturalmente esiste una certa gamma di interruttori differenziali che hanno valori di "soglia" ,ossia di delta, diversi tra loro: da una decina di milliampere sino agli ampere, come pure ne esistono vari tipi per impieghi diversi fino a quelli piu' sofisticati in cui il valore della corrente di delta ed il tempo di intervento sono impostabili e non fissi.


Loro impiego e la resistenza di terra:
Non ultimo va detto che questi interruttori non si possono montare impunemente come quelli ordinari, ossia che basta seglierne uno che regga l'amperaggio necessario e poi tutto va bene: essendo questi interruttori caratterizzati da un valore di intervento specifico (Idn) tale valore va scelto in funzione della resistenza dell'impianto di terra (Rt). Piu' e' basso il valore del delta e piu' il differenziale e' sensibile.

La resistenza di terra deve sempre soddisfare la relazione: Rt <=50/Id.

Tutto questo e' contemplato nella legislazione e normativa in merito agli impianti elettrici, e addentrarci in merito sarebbe bello ma inopportuno in quanto, pur utile e interessante, esula dal tema proposto: come funziona e com'e' fatto l'interruttore differenziale o salvavita, per cui si rimanda a testi specifici in materia per approfondimenti.


Analisi del funzionamento:
Visto a grandi linee il principio di funzionamento, prima di curiosare dentro ad uno di questi interruttori, riporto lo schema di funzionamento ed una breve spiegazione di come funziona.
Immagine
T=nucleo toroidale – S = solenoide di sgancio – M = meccanismo di manovra contatti – P = pulsante di test – R= resistenza di test.

Quando, a causa di una dispersione verso terra vi e' squilibrio di correnti, il toroide (T) diviene sede di campo magnetico e, di conseguenza, sull'avvolgimento rilevatore (avvolgimento secondario) nasce una tensione che alimenta il solenoide di sgancio (S) che interagisce direttamente con il meccanismo di manovra dei contatti (M) provocandone lo sgancio immediato, con la conseguente immediata apertura dei contatti ed interruzione della corrente. Il pulsante di test (P) tramite la resisteza (R) simula una dispersione provocando lo scatto dell'interruttore.

Classi dei differenziali:

Classe AC
E' il tipo normalmente utilizzato, dovrebbe garantire una certa tolleranza nei confronti dei disturbi induttivi in c.a. (scariche atmosferiche)

Classe A
E' un apparecchio che garantisce le caratteristiche di funzionamento anche in presenza di componenti pulsanti a valori ben specificati e (in parte) in corrente continua, adatto ad essere installato a protezione di gruppi UPS

Classe AS
Come il classe A ma ritardato e quindi selettivo.

Classe B
Adatto a funzionare in presenza di forti componenti in corrente continua.

Per quanto concerne il cinema, sono installati, secondo la normativa, idonei differenziali sia monofasi che trifasi. In cabina dovrebbero esserci entrambi.


Cosa c'e' dentro:
Detto questo, andiamo a curiosare dentro uno di tali interruttori: il modello tetrapolare D743A/40 della bticino avente le seguenti caratteristiche: 4 poli (tre fasi + neutro); Idn 0,03A , portata 40A 380V ac.

Eccolo:
Immagine

Parti costituenti il differenziale preso in esameImmagine
1: guscio – 2: base – 3: conduttori di entrata – 4: cestello gruppo meccanico di aggancio-sgancio e sede dei contatti mobili – 5: toroide (il differenziale vero e proprio) – 6: viteria – 7: strozzacavi – 8: contatti fissi – 9: contatti del pulsante di test e resistenza di test – 10: tubetti isolanti – 11: foglietti isolatori – 12: fondello – 13: meccanismo di manovra dei contatti – 14: solenoide di sgancio automatico – 15: leva di manovra manuale

Immagine
l’interruttore visto dal lato “entrata” . Il lato uscita e’ identico.

Sotto il guscioImmagine

Dentro il basamentoImmagine
Togliendo il fondello si accede al differenziale vero e proprio: e' il toroide. Esso e' un trasformatore in cui i conduttori grossi sono l'avvolgimento primario e quelli sottili il secondario. In alto e in basso i morsetti di collegamento visti dalla parte opposta. Si vede la resistenza di prova.

Immagine
Il "corpo" dell’interruttore. Sono visibili il toroide, il cestello, il pulsante di test e il solenoide di sgancio.

Il ToroideImmagine
Ecco il toroide con i suoi avvolgimenti. La parte con le "zanchette" e' l'entrata mentre quella senza e' l’uscita.

Immagine
Ancora il toroide visto di lato per mostrare come passano i conduttori. Il diodo visibile in basso e' un 1N4007 e serve a "raddrizzare" la tensione per il solenoide che funziona in corrente continua.

Il solenoide di sgancioImmagine

La meccanicaImmagine
Il gruppo meccanico di manovra manuale dei contatti e sulla sinistra il solenoide di sgancio visto dall'alto.

La meccanicaImmagine
Il gruppo meccanico visto di lato dalla parte dei leverismi

La meccanicaImmagine
Il gruppo meccanico visto dal lato dello sganciatore. A contatto con il solenoide c'e' il braccetto che comanda il sistema di sgancio visibile sulla destra della foto.

Il cestello - lato superioreImmagine
Il cestello privo della parte di manovra dei contatti visto dall'alto. In alto a sinistra il pulsante di test.

Il cestello - lato inferioreImmagine
Lato inferiore del cestello: i contatti mobili inseriti nella loro slitta e le molle di pressione. La molla al centro sulla sinistra e' la molla antagonista: la funzione di questa molla e' quella di provocare limmediato distacco dei contatti mobili da quelli fissi.

Contatti fissiImmagine
I contatti fissi. Al centro di ogni morsetto la placchetta di contatto su cui poggia la corrispondente del contatto mobile.

Il gruppo contatti completoImmagine

Il pulsante di TEST:
E' importante dire che il pulsante di test serve per "testare" il corretto funzionamento dell'interruttore. E' buona norma, anzi e' consigliato, verificarne il funzionamento mensilmente premendo il pulsante TEST.

ATTENZIONE: premendo il pulsante test si provoca lo scatto dell'interruttore, quindi l'apertura dei contatti e l'interruzione di corrente, simulando esattamente le condizioni reali di intervento. Se premendo questo pulsante l'interruttore non scatta, ma rimane armato e continua a far passare corrente, esso va SOSTITUITO IMMEDIATAMENTE in quanto GUASTO.

In genere il fuori uso di questi iterruttori avviene o per scariche elettriche (fulmini) o per inceppamento del solenoide. Piu' raramente per guasto alla meccanica.


ciao - alvaro

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da Antonio Marcheselli » lun mar 06, 2006 1:03 am

Sei sempre chiarissimo.

Puoi rinfrescarmi la parte di fisica che ho scordato che mi spiega questa affermazione

"Quando, a causa di una dispersione verso terra vi e' squilibrio di correnti, il toroide (T) diviene sede di campo magnetico"

??

ospite
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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da ospite » lun mar 06, 2006 7:39 pm

Interessante e ben fatto.
Faccio però qualche piccolissimo appunto (per mestiere mi occupo di differenziali).

Per esempio, il tipo B non è adatto solo per correnti differenziali con forte componente continua, ma anche per correnti differenziali continue lisce, senza alcuna ondulazione residua.
per questo è così difficile costruirli! e ad oggi sono assai poco utilizzati.

Alvaro
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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da Alvaro » lun mar 06, 2006 8:24 pm

per Ospite:

Bene, mi fa piacere la precisazione inserita.

Invero ci si potrebbe scrivere un trattato sui differenziali. Se vuoi aggiungere altro ad integrare/completare quanto scritto, ben venga.

Io cerco di "raccontare" una apparecchiatura o dispositivo nel modo piu' chiaro e piu' breve. Farla conoscere dentro e fuori.


per Antonio:

Provo a darti una spiegazione semplice senza far ricorso a teoremi e formule.

Due forze uguali e contrarie si annullano.
Quando una di queste due forze e’ inferiore all’altra la maggiore prevale.

Un po’ come il gioco del tiro della fune.

Per far capire meglio il concetto proviamo a metterla cosi’:

condizione di isolamento
La corrente di entrata genera campo magnetico in un senso, supponiamo positivo.
La stessa corrente in uscita lo genera identico ma di verso opposto, ossia negativo.
Questi due campi interagiscono tra loro ed essendo uguali ma di verso opposto si annullano.
La conseguenza e’ che il toroide non e’ sede di campo magnetico.

Condizione di dispersione
La corrente di entrata genera campo magnetico in un senso, supponiamo positivo.
La stessa corrente in uscita lo genera identico ma di verso opposto, ossia negativo, ma piu’ debole.
Questi due campi interagiscono tra loro ed essendo uguali ma di verso opposto tendono ad annullarsi, ma, essendo quello negativo piu’ debole, non si annullano interamente e quello positivo prevale.
La conseguenza e’ che il toroide e’ sede di campo magnetico.


ciao - alvaro

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Messaggio da Antonio Marcheselli » lun mar 06, 2006 8:52 pm

chiaro chiaro...

Ho studiato tutto al liceo, solo che non mi ricordo nulla. Non avevo considerato che essendoci una dispersione non essendo più uguali Ae e Au si forma un campo magnetico nel toroide.

Ciao!
A

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da ospite » mar mar 07, 2006 1:00 am

Ok, faccio una piccola integrazione.

Il "solenoide", cioé l'attuatore di sgancio, più precisamente è un "attuatore di sgancio magnetico a smagnetizzazione", cioé qualcosa di più sofisticato di un semplice solenoide (aprilo!).
La differenza non è irrilevante.
L'attuatore a smagnetizzazione (nel caso specifico il modello della Schupa, utilizzato da diversi fabbricanti di differenziali) ha la caratteristica di funzionare con energie di attivazione minuscole: dell'ordine delle decine di microwatt (milionesimi di watt!).
Questo perchè i differenziali in uso in Europa continentale per usi domestici e similari (industriali a bassa potenza) sono di tipo indipendente dalla tensione di rete, cioé utilizzano come energia di sgancio unicamente l'energia del guasto.
Questo attuatore è (accidentalmente) di tipo polarizzato. Il diodo (che in passato non si metteva) ha la funzione di cortocircuitare gli impulsi "positivi" contribuendo a ridurre il rischio di scatto intempestivo.
Differenziali di tipo "elettronico" (in uso per esempio in USA o UK, oppure anche in Italia per usi industriali) prelevano l'energia dalla rete e come attuatore utilizzano un più comune elettromagnete. Anche il toroide è più piccolo ed economico.
L'attuatore a smagnetizzazione è un oggetto molto delicato e di non facile costruzione. E' il vero "cuore" del differenziale voltage independent. Per mantenerlo sempre in forma è necessario fargli fare un po' di "ginnastica" tramite il famoso tasto di prova.

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da Antonio Marcheselli » mar mar 07, 2006 1:10 am

ospite

giusto per curiosità, come sei arrivato a questo forum? Non che mi dispiaccia che tu ne faccia parte!
Grazie per i tuoi contributi!

Ciao!
A

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da ospite » mar mar 07, 2006 1:26 am

cercando ... "contatore" !

lorenzof
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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da lorenzof » gio mar 09, 2006 10:17 am

La descrizione del Differenziale prodotta da Alvaro è ineccepibile .
Aggiungo a riguardo dei tempi d'intervento del salvavita che essendo normati sono anch'essi parametro che decreta il buono stato o meno di un'apparecchio ;un salvavita che scatta alla pressione del test è buon segno ma non necessariamente significa che il tempo d'intervento sia stato rispettato .(premere mensilmente il TEST da una certa garanzia sul tempo d'intervento ).
Attenzione anche alla scelta della portata dei poli in quanto il differenziale se puro non avverte le sovracorrenti dovute per esempio in un circuito trifase con neutro ad una fase più carica di un'altra ;un scelta un pò ridondante della portata di un differenziale puro preserva l'apparecchio da problemi che esulano dalla sua funzione cioè salvare la vita quando serve .Ciao

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da ospite » gio mar 09, 2006 9:26 pm

Certamente.

Utilizzare frequentemente il dispositivo di test è un accorgimento indisspensabile per mantenere efficiente l'interruttore differenziale.

Ma quanti lo fanno?

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da Antonio Marcheselli » gio mar 09, 2006 9:38 pm

Questa non la sapevo.

Come mai? Che "ginnastica" viene fatta?

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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da ospite » gio mar 09, 2006 10:08 pm

La "ginnastica" nel senso che lo metti in funzione, lo fai "sgranchire".

Il famoso "attuatore a smagnetizzazione" è un oggettino estremamente delicato. Un vero capolavoro di meccanica di precisione.

Funziona con potenze di attivazione minuscole (es. 50 µW) mantenendo la sua taratura originaria. Deve scattare al "primo colpo" magari dopo anni di quiescenza spesso in condizioni ambientali non ottimali (presenza di polvere, umidità, escursioni termiche....).

Il problema non si pone, invece, per un interruttore magnetotermico. In caso di intervento (sovraccarico o corto circuito) l'energia in gioco è enormemente maggiore.


L'attuatore dei differenziali, viene costruito da pochissime case specializzate. Necessita di una lavorazione accuratissimima con particolari trattamenti delle superfici delle parti magnetiche, in camera bianca in modo da evitare ogni rischio di sporcizia.

E' possibile che un siffatto attuatore, se lasciato inattivo per anni, possa "incollarsi" senza più scattare, oppure scattare ancora ma in modo non corretto con evidenti rischi per la sicurezza.

E' stato verificato l'azionamento periodico di tale dispositivo, non solo ne permette una verifica (sia pure approssimata) ma soprattutto evita quei pericolosi fenomeni di "incollamento" mantenendolo sempre efficiente come nuovo.

Per questo i fabbricanti di differenziali raccomandano di pigiare ogni tanto il tasto di test.

MIRKO87
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Interruttore Differenziale o salvavita

Messaggio da MIRKO87 » dom mar 12, 2006 11:06 pm

per alvaro............
scrivo in questo post perchè è l'ultimo che ho letto,ma vale anche per gli altri...
tutte le foto inserite nelle tue spiegazioni,sono fatte da te oppure prese da qualche costruttore???
se fatte da te,sei un'ottimo fotografo.....
complimenti..

p.s. se per caso non controlli frequentemente la casella e-mail,alvaro ti ho scittto un'email in pvt...grazie

Mirko
-Cinema Teatro Nuovo-
http://www.oratoriotrescore.it/CineTeatro/apertura.htm

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