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Selezionare un interruttore automatico in vuoto (VCB) per un alimentatore industriale di media tensione richiede molto più che confrontare il valore di tensione riportato sulla targa. Una delle verifiche tecniche più impegnative è il **coordinamento della sollecitazione TRV**: occorre confermare che l’inviluppo della tensione transitoria di ristabilimento che il VCB incontrerà in servizio rientri nei limiti di sollecitazione che l’interruttore è stato provato a sopportare. Per le apparecchiature di classe 12 kV e 24 kV, dove gli alimentatori industriali comprendono spesso motori, trasformatori, cavi e batterie di condensatori in varie combinazioni, questo coordinamento determina direttamente se l’interruttore interromperà correttamente o subirà un guasto distruttivo. L’articolo illustra i principi fisici, le norme applicabili, il metodo di selezione e gli errori più comuni nella specifica dei VCB per applicazioni industriali a 12 kV/24 kV.
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Quando un interruttore interrompe la corrente di guasto, l’arco tra i contatti non si estingue istantaneamente. Allo zero naturale della corrente, la rigidità dielettrica dell’intercapedine deve ripristinarsi più rapidamente della crescita della tensione tra i contatti aperti. La tensione che cresce dopo l’arco è la tensione transitoria di ristabilimento (TRV). Se il picco TRV è troppo alto o la sua velocità di salita (RRRV) è troppo elevata, l’arco si riaccende e l’interruttore non riesce a interrompere la corrente.
Negli interruttori in vuoto, in particolare, l’intercapedine tra i contatti è ridotta e il ripristino dipende dalla rapida condensazione del vapore metallico subito dopo lo zero di corrente. Gli interruttori in vuoto sono eccezionalmente rapidi in questo processo, perciò eccellono nell’interruzione di TRV ad alta frequenza. La stessa caratteristica, tuttavia, può generare TRV ripide quando si interrompono carichi induttivi; occorre quindi selezionarli con attenzione, valutando insieme sia la generazione sia la tenuta alla TRV.
Nelle classi **12 kV** (tipicamente per tensioni di sistema fino a 12 kV) e **24 kV** (tipicamente fino a 24 kV), i parametri TRV differiscono sensibilmente perché frequenza di oscillazione, smorzamento e impedenza della sorgente variano con la configurazione della rete. Un alimentatore industriale a 12 kV che alimenta una sbarra motori produce un inviluppo TRV molto diverso da un alimentatore a 24 kV che alimenta un trasformatore di sottostazione. Il coordinamento deve considerarli come classi di servizio distinte, non come semplici scalature della tensione.
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La norma applicabile agli interruttori di media tensione è **IEC 62271-100**, che riguarda gli interruttori CA trifase con tensione nominale superiore a 1 kV e specifica i metodi di prova diretti di chiusura e interruzione. Le prove sintetiche per le stesse apparecchiature sono trattate nel documento complementare **IEC 62271-101**. Chi specifica VCB per alimentatori industriali deve conoscere entrambi i documenti, perché i rapporti di prova di tipo dei costruttori possono fare riferimento a una delle due metodologie, che presuppongono condizioni della sorgente diverse.
Il documento attualmente in vigore è **IEC 62271-100:2021+AMD1:2024**, la versione consolidata che incorpora l’emendamento del 2024 e i relativi corrigenda. Non si tratta di un aggiornamento amministrativo minore: l’emendamento del 2024 ha modificato le definizioni delle prove di servizio e i parametri degli inviluppi TRV, influenzando la rendicontazione dei risultati da parte dei costruttori e la loro interpretazione da parte degli acquirenti.
Una delle modifiche più rilevanti nella revisione recente è la **rimozione della TRV nominale come valore di targa**. La IEC considera ora la TRV un parametro di prova, non un valore dichiarato. Pertanto, l’acquirente non può più leggere un valore TRV sulla targa e presumere che l’interruttore sia idoneo per qualsiasi sistema che produca una TRV inferiore. La selezione deve invece distinguere tra la *sollecitazione del sistema* — la TRV imposta dallo specifico alimentatore industriale — e le condizioni di prova riportate nei rapporti di prova di tipo del costruttore. Il confronto tra le due costituisce il nucleo tecnico del coordinamento della sollecitazione TRV per VCB da 12 kV/24 kV. Consultare la gamma di VCB di media tensione per confrontare le apparecchiature disponibili con il servizio previsto dal progetto prima di richiedere una configurazione definitiva.
In pratica, uno studio corretto dell’alimentatore deve calcolare i parametri TRV: tensione di picco (*u*c), tempo al picco (*t*p), RRRV e inviluppo a quattro o due parametri secondo il tipo di guasto. Questi valori devono essere confrontati con il rapporto di prova di tipo, non con un valore di targa che la norma non prevede più.
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Per determinare la sollecitazione TRV effettiva imposta da un alimentatore industriale a un VCB serve un modello di rete che rappresenti gli elementi che contribuiscono alla tensione oscillante dopo l’arco. I principali contributi sono:
**Induttanza della sorgente e reattanza di dispersione del trasformatore.** L’induttanza dominante tra l’interruttore e la sorgente del guasto determina l’impedenza caratteristica e la frequenza di oscillazione della prima escursione TRV. In un alimentatore a 12 kV alimentato tramite un trasformatore 33/12 kV, la reattanza di dispersione del trasformatore combinata con la capacità della sbarra genera una salita iniziale della TRV molto ripida, potenzialmente oltre i limiti degli interruttori di servizio standard se il trasformatore è piccolo e l’alimentatore è corto.
**Capacità dei cavi.** I cavi interrati aggiungono una capacità in derivazione significativa che rallenta la velocità iniziale di salita della TRV (RRRV), ma aumenta l’energia di oscillazione. In genere è un effetto favorevole: un alimentatore con cavi più lunghi produce di norma una RRRV meno severa. Tuttavia, la capacità può anche causare riflessioni che rendono più complessa la forma dell’inviluppo TRV.
**Carichi costituiti da motori e generatori.** Le macchine rotanti sono particolarmente impegnative perché contribuiscono alla corrente di guasto con una componente CA decrescente e, soprattutto, generano una componente TRV dovuta alle reattanze subtransitoria e transitoria della macchina. Negli alimentatori per motori a 12 kV, il fattore del primo polo all’interruzione può variare in funzione del rapporto d’impedenza tra motore e sorgente; alcune configurazioni producono picchi TRV intrinsecamente più alti di quelli attesi per un guasto puramente resistivo-induttivo.
**Batterie di condensatori.** Le batterie di condensatori dell’alimentatore o le apparecchiature di rifasamento creano un percorso risonante in parallelo, che può produrre picchi TRV molto elevati con correnti di guasto ridotte. La sollecitazione più gravosa può verificarsi a una corrente di guasto parziale anziché a quella massima.
L’analisi della rete deve fornire l’inviluppo IEC a quattro parametri: velocità iniziale di salita (RRRV o *u*1/*t*1), primo punto di riferimento (*u*1, *t*1), picco TRV (*u*c) e tempo al picco (*t*p). Questi quattro valori definiscono l’inviluppo limite rispetto al quale verificare le prestazioni dell’interruttore nei test di tipo.
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Determinati i parametri TRV del sistema, occorre abbinarli alle prestazioni qualificate dell’interruttore. Poiché la TRV nominale non è più un valore di targa secondo la norma IEC vigente, il confronto deve essere effettuato a livello dei rapporti di prova di tipo. L’ingegnere deve richiedere il rapporto del costruttore relativo allo specifico tipo di VCB, provato alla tensione nominale pertinente, e verificare quanto segue. Per il controllo dei dati nominali, confrontare queste condizioni con il riferimento dei dati nominali VCB.
1. **Corrispondenza della classe di tensione.** Un tipo di interruttore provato a 12 kV (Um = 12 kV secondo IEC) non è direttamente intercambiabile con uno provato a 24 kV. Le condizioni di prova TRV sono diverse e un interruttore da 12 kV non può essere utilizzato a una tensione nominale di sistema di 24 kV riducendo soltanto il livello della corrente di guasto.
2. **Corrispondenza della sollecitazione di prova.** IEC 62271-100 definisce più sollecitazioni di prova (T10, T30, T60, T100), corrispondenti a frazioni della corrente nominale di cortocircuito. L’inviluppo TRV a T10 (10% della corrente nominale) è in genere il più severo per RRRV, anche se il livello di corrente è basso. Gli alimentatori industriali con capacità significativa dei cavi possono produrre condizioni TRV simili alla sollecitazione T10 anche a livelli di guasto moderati. Occorre verificare che l’interruttore abbia superato prove di tipo T10 adeguate alle condizioni del sistema.
3. **Fattore del primo polo all’interruzione.** Nei sistemi efficacemente messi a terra, il fattore del primo polo all’interruzione (*k*pp) è pari a 1.3 secondo le convenzioni IEC. Nei sistemi isolati o con messa a terra risonante — comuni nell’industria europea e sempre più diffusi nei sistemi di generazione distribuita — il fattore può essere pari a 1.5 o superiore. Un VCB da 24 kV specificato per un sistema con neutro solidamente a terra non deve essere applicato direttamente a un sistema con neutro isolato senza riesaminare i parametri TRV, poiché il picco di tensione sul primo polo è sensibilmente più elevato.
4. **Sollecitazione di corrente asimmetrica.** Nei guasti vicini all’interruttore, la componente continua della corrente di guasto può essere significativa e l’interruttore deve essere provato per il servizio di interruzione asimmetrica (condizioni di prova con angolo di fase «L90» o 90° nella nomenclatura IEC). Gli alimentatori industriali vicini a generatori o a grandi motori sincroni producono spesso un’elevata componente continua.
5. **Sollecitazione per guasto su linea corta.** Negli alimentatori collegati a linee aeree, anche una linea corta può imporre la gravosa caratteristica TRV di guasto su linea corta (SLF), caratterizzata da una salita iniziale triangolare e molto ripida sul lato linea dell’interruttore. I VCB di classe 24 kV per alimentatori industriali su linea aerea devono essere valutati rispetto ai risultati delle prove di tipo SLF.
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Nelle specifiche di VCB per alimentatori industriali ricorrono diversi errori sistematici. Conoscerli permette di evitare costose rilavorazioni o, peggio, guasti sul campo.
**Usare la tensione nominale come indicatore dell’idoneità alla TRV.** Prima che le recenti revisioni IEC eliminassero la TRV nominale come valore di targa, alcuni ingegneri presumevano che un interruttore da 12 kV fosse automaticamente idoneo per qualsiasi inviluppo TRV presente in un sistema a 12 kV. La norma vigente elimina esplicitamente questa scorciatoia: la TRV del sistema deve essere calcolata e confrontata con i dati del rapporto di prova.
**Trascurare la sollecitazione T10.** La maggior parte degli studi TRV degli alimentatori si concentra sulla corrente di guasto massima, ossia sul servizio T100. Tuttavia, nelle reti con capacità elevata e impedenza moderata della sorgente, il caso T10 (10% della corrente nominale di cortocircuito) produce la RRRV più alta. Questa condizione ha maggiori probabilità di provocare una riaccensione in un VCB scelto soltanto in base alla corrente nominale.
**Applicare in modo improprio il declassamento per alimentatori con cavi.** Alcuni progettisti presumono che, poiché i cavi aggiungono capacità e rallentano la RRRV, ogni alimentatore in cavo comporti necessariamente una sollecitazione TRV contenuta. Non è sempre così. Cavi lunghi con riflessioni alle terminazioni o batterie di condensatori in parallelo possono generare forme d’onda TRV complesse, che superano l’inviluppo standard a due parametri e richiedono un’analisi a quattro parametri.
**Ignorare l’effetto del materiale dei contatti dell’interruttore in vuoto sulla probabilità di riaccensione.** I diversi modelli VCB utilizzano leghe di contatto differenti, che influenzano sia la velocità di ripristino dielettrico sia la suscettibilità alla riaccensione a RRRV elevate. Queste caratteristiche non emergono dal semplice confronto dei valori nominali di tensione e corrente: sono contenute nei risultati delle prove di tipo e devono essere ricondotte allo specifico progetto dell’interruttore in vuoto offerto.
**Confondere le convenzioni TRV IEC e ANSI/IEEE.** Nei progetti industriali multinazionali, uno studio di rete nordamericano può fornire risultati TRV nel formato IEEE C37.09, mentre la specifica dell’interruttore fa riferimento a IEC 62271-100. Le due norme utilizzano definizioni diverse dell’inviluppo, fattori diversi del primo polo all’interruzione e percentuali diverse per le sollecitazioni di prova. La conversione non è banale; un confronto numerico diretto senza conversione può dare una falsa impressione di conformità. La guida alla documentazione delle prove TRV per le richieste di offerta VCB aiuta a stabilire quali registrazioni inserire nell’offerta tecnica e nel dossier finale.
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Le prove di accettazione in fabbrica (FAT) dei VCB destinati ad alimentatori industriali in genere non comprendono prove di tipo TRV complete: queste vengono eseguite una sola volta per serie di progetto e documentate nei rapporti di prova di tipo. Le prove FAT e di accettazione in sito (SAT) sono tuttavia fondamentali per confermare che le singole unità fornite corrispondano al progetto sottoposto alle prove di tipo. La lista di controllo di accettazione FAT e SAT del VCB fornisce una struttura complementare per criteri di accettazione, risultati e registrazioni di chiusura.
Le principali verifiche FAT relative alle prestazioni TRV includono misure dei tempi meccanici (tempi di chiusura e apertura, verifica della distanza tra i contatti), misura della resistenza di contatto (correlata all’usura e allo stato superficiale dei contatti), prove alla tensione minima di esercizio della bobina di sgancio e prove di tenuta dielettrica. Scostamenti dal progetto provato in uno qualsiasi di questi parametri possono modificare la tenuta TRV effettiva dell’unità di produzione rispetto al campione sottoposto alle prove di tipo.
In particolare per i VCB di classe 24 kV, il cui progetto dell’interruttore in vuoto deve prevedere una maggiore distanza tra i contatti e sollecitazioni dielettriche più elevate rispetto a un’unità da 12 kV, la coerenza di fabbricazione è essenziale. Un’unità di produzione con una distanza tra i contatti inferiore al minimo specificato avrà una velocità di ripristino dielettrico ridotta e, di conseguenza, una minore tenuta TRV, anche se supera una prova di routine di tenuta alla frequenza industriale.
Gli acquirenti che specificano VCB per alimentatori industriali critici dovrebbero richiedere che i protocolli FAT confermino esplicitamente la corrispondenza dei parametri meccanici e dielettrici dell’unità con il campione sottoposto alle prove di tipo, entro le tolleranze definite dal costruttore. Questa è la catena di tracciabilità di fabbricazione che collega la qualifica TRV di tipo all’unità effettivamente installata sul campo.
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Nelle versioni precedenti di IEC 62271-100, sulla targa dell’interruttore compariva un valore TRV nominale, dando l’impressione che quel solo valore qualificasse l’interruttore per qualsiasi sistema con TRV inferiore. La norma IEC vigente, consolidata come IEC 62271-100:2021+AMD1:2024, elimina del tutto la TRV nominale dalla targa e la riclassifica come parametro di prova. L’inviluppo TRV descrive quindi le condizioni in cui è stata eseguita una prova di tipo, non costituisce una garanzia autonoma di prestazione. Per chi redige la specifica, la conseguenza è diretta: i parametri TRV specifici del sistema, calcolati da uno studio di rete, devono essere confrontati con le condizioni TRV documentate nei rapporti di prova di tipo del costruttore per l’interruttore effettivamente offerto. Non esistono scorciatoie basate sulla targa.
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La sollecitazione T10 corrisponde all’interruzione al 10% della corrente nominale di cortocircuito dell’interruttore. Con questa corrente ridotta, l’impedenza della sorgente è effettivamente maggiore e la TRV oscilla a frequenza più elevata, con una velocità iniziale di salita più ripida. Negli alimentatori industriali — soprattutto con cavi lunghi, capacità in derivazione significativa o batterie di condensatori vicine — il livello effettivo di corrente di guasto a cui si verifica la RRRV massima può avvicinarsi alla gamma di servizio T10. Un VCB selezionato soltanto in base alla corrente nominale di interruzione e alla classe di tensione, senza verificare le prestazioni della prova di tipo T10, può non interrompere guasti con corrente moderata proprio perché in tale condizione la RRRV è massima. La verifica della conformità alla prova T10 è quindi un passaggio irrinunciabile del coordinamento della sollecitazione TRV per VCB industriali da 12 kV/24 kV.
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Il fattore del primo polo all’interruzione (*k*pp) tiene conto del fatto che, in un guasto trifase, un polo interrompe prima degli altri e la sollecitazione di tensione su quel polo è amplificata rispetto alla tensione fase-neutro. Nei sistemi efficacemente messi a terra, le convenzioni IEC assegnano a *k*pp il valore 1.3: il primo polo che interrompe è quindi soggetto a un picco TRV 1.3 volte superiore a quello calcolato con un’analisi monofase. Nei sistemi con neutro isolato o con messa a terra risonante, il fattore sale a 1.5. Molte reti di distribuzione industriali da 24 kV in Europa e Asia utilizzano neutri isolati o con messa a terra risonante per limitare la corrente di guasto a terra e mantenere la continuità di alimentazione. Applicare a un sistema con neutro isolato un VCB da 24 kV provato assumendo *k*pp = 1.3, senza rivalutare il picco TRV, introduce un margine non conservativo. Prima di iniziare il coordinamento della sollecitazione TRV occorre definire la modalità di messa a terra del neutro e verificare che le condizioni della prova di tipo dell’interruttore riflettano il valore di *k*pp applicabile.
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I motori sono tra i carichi che generano le sollecitazioni TRV più elevate nelle reti industriali a 12 kV, perché dopo l’interruzione di un guasto si comportano per breve tempo come sorgenti di tensione. Quando un VCB di alimentatore interrompe un guasto su una sbarra alla quale sono collegati anche motori in marcia, questi continuano a generare tensione per un intervallo determinato dalle loro costanti di tempo subtransitoria e transitoria. La tensione generata dai motori si sovrappone alla tensione di ripristino lato sistema e crea una forma d’onda TRV con picco potenzialmente più alto e forma più complessa rispetto agli inviluppi standard delle prove IEC per una configurazione con sola sorgente-trasformatore-guasto. La severità dipende dalla potenza MVA complessiva dei motori rispetto al livello di guasto, dalla distanza elettrica tra motori e interruttore, dal fattore di potenza dei motori e dalla loro reattanza subtransitoria. Per un alimentatore industriale a 12 kV con molti azionamenti a velocità variabile o grandi motori sincroni, è opportuno ricavare la sollecitazione TRV prima della selezione definitiva del VCB mediante una simulazione dettagliata dei transitori di rete, non con un calcolo d’impedenza semplificato.
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La traduzione dell’analisi tecnica del coordinamento TRV in clausole di acquisto applicabili è un passaggio che gli ingegneri spesso sottovalutano. Una specifica che dichiara soltanto «VCB conforme a IEC 62271-100:2021» è necessaria, ma non sufficiente. Deve inoltre richiedere:
Per i VCB da 24 kV applicati a reti industriali con neutro isolato, la specifica deve anche indicare il fattore del primo polo all’interruzione applicabile e richiedere al costruttore di confermare la coerenza delle condizioni TRV delle prove di tipo con tale fattore.
Questi requisiti non sono eccessivi: riflettono lo stato attuale di IEC 62271-100:2021+AMD1:2024, che attribuisce al progettista la responsabilità di verificare la sollecitazione del sistema, anziché fornire un valore TRV di targa come riferimento sostitutivo. Chi comprende questo cambiamento redige specifiche migliori, riceve offerte più solide dal punto di vista tecnico e installa VCB che funzionano in modo affidabile per tutta la vita utile sugli alimentatori industriali da 12 kV e 24 kV.
