Ultima modifica: 03/07/2025
Il dubbio
Perché, quando si tratta il tema della sicurezza elettrica, si parla di Energia Passante?
Non è sufficiente limitare la corrente che passa in un cavo per proteggerlo?
Considerazione 1: L’energia elettrica
Come ben sappiamo i componenti elettrici hanno una loro durata, la quale è compromessa dall’energia che li attraversa. L’energia elettrica come espressa dal fisico inglese James Prescott Joule è indicata come segue:
Q= I^2*R, da cui si ricava I^2*t=Q/R, ovvero dalla corrente che attraversa la resistenza nell’unità di tempo[A^2*s], analogo a [Joule/Ohm].
Se prendiamo come esempio una corrente di corto circuito su una linea pari a 10kA, l’interruttore la protegge, se Modulare (MCB), normalmente apre in 30 ms. Il cavo, durante quell’intervallo di tempo sarà soggetto ad un’energia passante teorica pari a I^2*t=3*10^6[A^2*s].
Considerazione 2: Corrente di corto presunta
Questo valore di energia passante sarebbe corretto se noi non considerassimo le proprietà di limitazione dell’energia passante del dispositivo di protezione il quale, appunto, limita l’energia passante durante il fenomeno del corto. Importante per il caso appena esposto è il concetto della corrente di cortocircuito presunta, che è la corrente che circolerebbe nel circuito se ciascun polo del dispositivo di protezione fosse sostituito da un conduttore di impedenza trascurabile.
[IEC 60947-1:2008 ]: 2.5.5 prospective current (of a circuit and with respect to a switching device or a fuse)
Current that would flow in the circuit if each pole of the switching device or the fuse were replaced by a conductor of negligible impedance
In realtà, come si vede dal grafico a lato, la corrente di corto circuito effettiva è di parecchio inferiore. Il motivo è legato al fatto che l’apertura della protezione non determina l’immediata interruzione della corrente. La corrente continua a fluire ma subendo l’effetto di attenuazione dovuto alla corrente dell’arco elettrico.
La corrente di cortocircuito effettiva, o corrente di guasto, è la corrente che fluisce attraverso un circuito quando si verifica un cortocircuito, ovvero un collegamento a resistenza praticamente nulla tra due punti a differente potenziale.
Considerazione 3: L’energia passante
Nei casi in esame si assume un valore di frequenza di rete uguale a 50Hz, la quale implica un periodo della corrente uguale a 20ms.
Le sollecitazioni termiche e dinamiche che si verificano durante il cortocircuito sono proporzionali a I^2*t, dove I^2 è il quadrato della corrente di cortocircuito e t è il tempo impiegato dalla protezione per estinguerla.
Durante l’eliminazione del cortocircuito si sviluppa dell’energia che è lasciata passare dal dispositivo di protezione da cortocircuito, la quale viene trasformata in calore; essa viene definita come energia specifica passante, ovvero l’energia dissipata durante un cortocircuito, la quale può essere calcolata in base all’intensità della corrente di corto e al tempo per cui essa persiste, essa può prendere anche il nome di integrale di joule.
Considerazione 4: Energia sopportabile dai cavi
Per quanto riguarda la verifica delle correnti di corto circuito nel caso di utilizzo di dispositivi di protezione, l’energia sopportabile dai cavi è data dal prodotto del quadrato della sezione dei cavi, espresso in mmq, e al quadrato di K, ovvero una costante, la quale tiene conto dei parametri di resistività, coefficiente di temperatura e sopportabilità termica del materiale, che nel caso dei PVC equivale a 115. L’energia passante dei cavi deve essere maggiore rispetto a quella lasciata passare della protezione,
se si vuole che il cavo sia correttamente protetto. Come possiamo vedere riportato in figura. Se prendiamo per esempio un cavo in PVC di sezione di 10 mmq la massima energia che può sopportare (K^2*S^2)è pari a 1 322 500 A^2*s.
Facendo riferimento al grafico, considerando una protezione da 32 A e ipotizzando un Corto Circuito da 10 kA, l’energia che lascia passare la protezione è pari a circa 60K A^2*s, che è minore di quella che il cavo sopporta.
La formula che viene utilizzata ipotizza che il cavo non abbia scambio di calore con l’esterno (fenomeno adiabatico).
IEC 60364-4-43] 431.5.4 Characteristics of short-circuit protective devices […]
431.5.4.2 For cables and insulated conductors, all current caused by a short-circuit occurring at any point of the circuit shall be interrupted in a time not exceeding that which brings the insulation of the conductors to the permitted limit temperature.
For operating times of protective devices < 0,1 s where asymmetry of the current is of importance and for current-limiting devices k^2*S^2 shall be greater than the value of the let-through energy I^2*t quoted by the manufacturer of the protective device.
I^2*t ≤ K^2*S^2
Conclusioni
La limitazione della corrente in un cavo non è il solo parametro da utilizzare per proteggerlo dall’incendio. Una protezione da sovraccarico protegge correttamente il cavo da tale fenomeno, ma non lo protegge in caso di Corto Circuito. In tal caso la corrente è talmente elevata e in modo così improvviso, che una protezione da sovraccarico non può garantire che il cavo non si deteriori durante un corto. La normativa elettrica affronta tale problema ragionando in termini di Energia Passante.
Importante, perché gioca un ruolo in favore della sicurezza, è il concetto di Energia passante di una protezione, considerando che la maggiorparte delle protezioni elettriche sono in realtà dei limitatori di energia.