Come scegliere un interruttore/sezionatore CC che soddisfi i requisiti di carico

Il mondo sta vivendo una rivoluzione elettrica. Dalla proliferazione degli impianti solari fotovoltaici e dei sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS) alla rapida crescita delle infrastrutture di ricarica dei veicoli elettrici (EV), l'energia a corrente continua (DC) non è più una tecnologia di nicchia. Sta rapidamente diventando la spina dorsale di un futuro di energia decentralizzata e rinnovabile. Tuttavia, questo cambiamento comporta una sfida ingegneristica critica spesso sottovalutata: l'interruzione sicura dei circuiti in corrente continua.

A differenza della corrente alternata (CA), che passa naturalmente a zero volt 100 o 120 volte al secondo (a 50/60 Hz), offrendo una momentanea opportunità di spegnere un arco elettrico, la corrente continua è implacabile. Quando si apre un interruttore in un circuito CC sotto tensione, la corrente non vuole fermarsi. Tenterà di saltare il traferro, creando un arco continuo di plasma ad alta temperatura che può mantenersi fino a quando qualcosa si fonde, brucia o si guasta in modo catastrofico. Ciò rende la commutazione in corrente continua fondamentalmente più pericolosa e impegnativa della sua controparte in corrente alternata. Un interruttore in c.a. utilizzato in un'applicazione in c.c. rappresenta un rischio di incendio.

Scegliere il giusto Sezionatore DC non si tratta solo di far corrispondere tensione e corrente, ma di garantire che il dispositivo sia in grado di stabilire e interrompere una connessione in modo sicuro e affidabile sia in condizioni normali che di guasto. Questo articolo fornisce una guida completa in cinque fasi per ingegneri, progettisti e tecnici per la scelta del commutatore CC corretto che garantisca la sicurezza del sistema, l'affidabilità e la conformità agli standard internazionali.

Comprendere lo standard: IEC 60947-3

Prima di immergersi nel processo di selezione, è fondamentale comprendere lo standard principale che regola questi dispositivi: IEC 60947-3, “Apparecchiature di comando e di controllo a bassa tensione - Parte 3: Interruttori, sezionatori, interruttori di manovra-sezionatori e unità combinate con fusibili”.” La presente norma stabilisce i requisiti di prestazione e le procedure di prova per i dispositivi utilizzati per isolare o commutare i circuiti CC.

Uno dei concetti più importanti della norma IEC 60947-3 è il concetto di "sicurezza". Categoria di utilizzo. Questo sistema di classificazione definisce il tipo di carico elettrico che l'interruttore è progettato per gestire, comprese le sollecitazioni previste durante le operazioni di inserimento e disinserimento. L'utilizzo di un interruttore con la categoria di utilizzo sbagliata per la vostra applicazione può portare a un guasto prematuro o all'impossibilità di svolgere la propria funzione in modo sicuro. Per i circuiti in corrente continua, le categorie principali sono descritte nella tabella seguente.

Tabella 1: Categorie di utilizzo della corrente continua spiegate

Per la maggior parte delle applicazioni moderne, come l'energia solare e l'accumulo di batterie, è necessario specificare un interruttore per DC-21B o DC-PV2è fondamentale per garantire che sia in grado di gestire le richieste operative del sistema.

Guida alla selezione in 5 fasi

Per semplificare il processo di scelta dell'interruttore CC corretto, seguite questa metodologia sistematica in cinque fasi. Questo approccio garantisce che vengano presi in considerazione tutti i parametri critici, per ottenere un progetto sicuro e affidabile.

Una sintesi visiva del processo di selezione sistematico in 5 fasi.

Fase 1: Determinazione della tensione massima del sistema (Ue)

Il primo e più importante parametro è la tensione di sistema. L'interruttore selezionato deve avere una tensione nominale di esercizio (Ue) che sia uguale o superiore a la tensione massima che potrà mai sperimentare.

Per i sistemi a batteria è relativamente semplice: si tratta della tensione nominale della batteria più le eventuali tolleranze della tensione di carica. Per i sistemi solari fotovoltaici, invece, il discorso è più complesso. Il valore critico è il tensione a circuito aperto (Voc) della stringa fotovoltaica, non la tensione di esercizio (Vmp). Inoltre, questa Voc deve essere corretta per la temperatura.

I pannelli fotovoltaici si comportano in modo contro-intuitivo: la loro tensione aumenti come la temperatura ambiente diminuzioni. Un campo solare che produce 800 Vdc in una giornata calda potrebbe produrre oltre 950 Vdc in una gelida mattina d'inverno. Se non si tiene conto di questo “effetto freddo”, la tensione può superare il valore nominale dell'interruttore, creando un grave rischio per la sicurezza. Utilizzare sempre i coefficienti di correzione della temperatura riportati nella scheda tecnica del modulo fotovoltaico per calcolare la tensione massima del sistema nel caso peggiore (temperatura minima).

Regola empirica: Selezionare un interruttore CC con una tensione nominale superiore di almeno 15-20% rispetto alla tensione massima calcolata del sistema per garantire un solido margine di sicurezza.

Fase 2: Calcolo della corrente di carico (Ie) e applicazione del declassamento termico

La corrente nominale di funzionamento (Ie) dell'interruttore deve essere superiore alla corrente di funzionamento continuo del carico. Per un impianto fotovoltaico, questa corrisponde alla corrente di cortocircuito della stringa (Isc) moltiplicata per un fattore di sicurezza (in genere 1,25 secondo i requisiti NEC).

Tuttavia, la corrente nominale di un interruttore non corrisponde quasi mai alla sua reale capacità in un'installazione reale. È qui che declassamento termico diventa essenziale. La capacità di un interruttore di trasportare corrente è limitata dalla sua capacità di dissipare il calore. Diversi fattori possono ridurre questa capacità:

• Temperatura ambiente: Il valore standard di 40°C (104°F) è un valore di riferimento. Per ogni grado in più, la capacità di trasporto della corrente diminuisce. Un interruttore che opera in un ambiente caldo e desertico può richiedere un declassamento di 30% o più.
• Dimensioni e materiale dell'involucro: Un interruttore installato all'interno di un piccolo involucro di plastica sigillato avrà un raffreddamento significativamente inferiore a quello di un interruttore installato in un grande armadio metallico ventilato. I produttori forniscono curve di declassamento in base al tipo di armadio.
• Raggruppamento di dispositivi: L'installazione di più interruttori o di altri componenti che producono calore uno accanto all'altro aumenta la temperatura ambiente locale, richiedendo un ulteriore declassamento.
• Altitudine: Ad altitudini superiori a 2000 metri (6500 ft), l'aria più sottile è meno efficace nel raffreddamento. La ridotta capacità di raffreddamento e la minore rigidità dielettrica richiedono un declassamento della corrente e della tensione.

Consultare sempre la scheda tecnica del produttore per le curve di declassamento specifiche e applicarle diligentemente. Un interruttore da 100 A potrebbe essere adatto solo per un carico di 65 A una volta applicati tutti i fattori di declassamento.

Fase 3: verifica della resistenza ai cortocircuiti (Icw)

Sebbene un interruttore di manovra-sezionatore non sia un interruttore automatico - non è progettato per interrompere un cortocircuito di alto livello - deve essere in grado di resistere alle forze elettromeccaniche e alle sollecitazioni termiche di un guasto per un tempo sufficiente a far funzionare il dispositivo di protezione a monte (ad esempio, un fusibile o un interruttore automatico). Questo valore è il corrente nominale di breve durata (Icw).

Il valore di Icw è generalmente indicato per una durata specifica, di solito un secondo (ad esempio, “12kA per 1s”). Ciò significa che l'interruttore è in grado di sopravvivere strutturalmente a un guasto di 12.000 ampere per un secondo senza rompersi, fondersi o saldare i suoi contatti, garantendo che il circuito rimanga contenuto in modo sicuro fino a quando il guasto non viene eliminato. Il valore nominale Icw dell'interruttore deve essere superiore alla corrente di cortocircuito prevista nel punto di installazione nel sistema. Si tratta di un parametro di sicurezza fondamentale che protegge le apparecchiature e il personale dagli effetti violenti di un cortocircuito.

Fase 4: valutazione delle condizioni ambientali (IP/NEMA e materiali)

L'interruttore deve essere adatto all'ambiente di installazione. Questo è definito principalmente dal grado di protezione IP (Ingress Protection) o, in Nord America, dal grado di protezione NEMA. Il sistema di classificazione IP utilizza due cifre per classificare il livello di protezione contro solidi (prima cifra) e liquidi (seconda cifra).

Tabella 4: Valori IP comuni e relative applicazioni

Per applicazioni all'esterno, in particolare nel settore solare, Resistenza ai raggi UV è obbligatorio. I materiali plastici standard diventano fragili e si guastano se esposti alla luce del sole nel corso del tempo. Cercate interruttori in policarbonato (PC) stabilizzato ai raggi UV o in materiali simili e resistenti.

Fase 5: insistere su certificazioni e conformità

Infine, la scheda tecnica di uno switch è solo un'affermazione finché non viene verificata da una terza parte affidabile. Le certificazioni indipendenti garantiscono che il dispositivo sia stato testato e che soddisfi gli standard di sicurezza e di prestazioni dichiarati. I marchi chiave da ricercare sono:

• Marchio CE: Una dichiarazione che attesti la conformità del prodotto agli standard di salute, sicurezza e protezione ambientale dell'UE.
• Elenco UL: Indica che Underwriters Laboratories ha testato il prodotto in base agli standard di sicurezza nordamericani.
• TÜV Rheinland: Un ente di controllo e certificazione rispettato a livello mondiale, particolarmente importante nel settore dell'energia solare. La certificazione TÜV è un forte indicatore di qualità e affidabilità.

Non utilizzate mai componenti non certificati in un sistema di alimentazione critico. Il risparmio sui costi è trascurabile rispetto al rischio di guasti catastrofici, incendi e potenziali responsabilità.

Guida visiva ai tipi di interruttori CC

Gli interruttori CC sono disponibili in diversi formati fisici, ciascuno adatto a diverse esigenze di installazione. I più comuni sono quelli per montaggio a pannello, su guida DIN e quelli completamente chiusi.

Didascalia: Gli interruttori CC a pannello offrono un'interfaccia robusta e passante per gli operatori, spesso dotata di maniglie bloccabili per l'isolamento di sicurezza (LOTO).

Didascalia: Gli interruttori per montaggio su guida DIN consentono un'installazione rapida e modulare all'interno di armadi di controllo e quadri di distribuzione.

Tabella 2: Confronto tra i tipi di montaggio degli interruttori

La scienza all'interno: Materiali e spegnimento dell'arco

Ciò che separa veramente un interruttore CC di alta qualità da uno di qualità inferiore è la scienza che si svolge all'interno della scatola. Due aree chiave determinano la capacità di un interruttore di interrompere in modo sicuro un carico in corrente continua: i materiali di contatto e il meccanismo di estinzione dell'arco.

Materiali di contatto: Argento e rame

Sebbene il rame sia un eccellente conduttore, ha uno svantaggio significativo: si ossida facilmente. Questo strato di ossido di rame è molto meno conduttivo e può provocare punti caldi, aumento della resistenza e infine guasti. L'argento è superiore perché il suo ossido (ossido di argento) rimane altamente conduttivo.

Per gli interruttori CC ad alte prestazioni, i produttori utilizzano leghe d'argento. La lega di argento puro con materiali come il nichel (AgNi) o l'ossido di stagno (AgSnO2) migliora notevolmente la resistenza all'erosione del materiale e alla saldatura durante un arco elettrico.

Didascalia: I contatti in lega d'argento (AgNi in figura) offrono una maggiore durata e resistenza ai danni da arco elettrico rispetto ai contatti in rame standard.

Tabella 3: Confronto tra i materiali di contatto

Meccanismi di spegnimento ad arco

Quando i contatti si aprono, si forma un arco elettrico. Il compito dell'interruttore è quello di spegnere l'arco il più rapidamente possibile. Gli interruttori CC di alta qualità utilizzano diversi meccanismi contemporaneamente:

1. Velocità di apertura rapida: Un meccanismo a molla “a scatto” assicura la rapida separazione dei contatti, creando quasi istantaneamente un ampio spazio d'aria. In questo modo si evita che si crei l'arco elettrico.
2. Contatti a doppia rottura: Invece di un singolo punto di interruzione, il meccanismo apre il circuito in due punti contemporaneamente. In questo modo, la tensione e l'energia dell'arco vengono suddivise in due archi separati, ciascuno dei quali è più piccolo e più facile da estinguere. In questo modo si raddoppia la capacità di interruzione per un determinato spazio di contatto.
3. Scivoli ad arco: I contatti sono alloggiati all'interno di una camera contenente una serie di piastre metalliche parallele, chiamate scivolo dell'arco. Quando si crea l'arco, questo viene spinto nello scivolo, dove si allunga, si divide in più archi più piccoli e viene raffreddato dalle piastre fino alla deionizzazione e allo spegnimento.
4. Esplosioni magnetiche: Negli interruttori più avanzati, i magneti permanenti sono posizionati accanto allo scivolo dell'arco. Il campo magnetico interagisce con la corrente che attraversa l'arco, creando una forza di Lorentz che spinge attivamente (o “soffia”) l'arco lontano dai preziosi contatti e in profondità nello scivolo, accelerando il processo di spegnimento.

Un interruttore che combini queste caratteristiche, in particolare i contatti a doppia interruzione e gli scivoli ad arco magnetico, fornirà prestazioni di interruzione del carico in corrente continua nettamente superiori e una maggiore durata operativa.

Domande frequenti (FAQ)

1. È possibile utilizzare un interruttore CA per un'applicazione CC?
Assolutamente no. Un interruttore CA si basa sul punto di incrocio zero della forma d'onda CA per spegnere l'arco. La corrente continua è continua, quindi è probabile che un interruttore CA non riesca a interrompere il circuito, causando un arco prolungato, un surriscaldamento e un rischio di incendio significativo.

2. Qual è la differenza tra un “interruttore” e un “sezionatore”?
Un sezionatore (o isolatore) è progettato solo per aprire un circuito in condizioni di assenza di carico per fornire una distanza di isolamento sicura per la manutenzione (categoria DC-20). Un interruttore è progettato per creare e interrompere il circuito in condizioni di carico normale (categoria DC-21). Un “sezionatore” soddisfa i requisiti per entrambe le funzioni.

3. Perché il declassamento per temperatura è così importante?
Il calore è il nemico principale dei componenti elettrici. La corrente nominale di un interruttore si basa sulla sua capacità di dissipare il calore generato da quella corrente. Le temperature ambientali più elevate riducono questa capacità, facendo sì che l'interruttore si surriscaldi a parità di carico, il che può superare i limiti di temperatura, degradare l'isolamento e portare a un guasto prematuro.

4. Cosa significa “PV2” nella categoria di utilizzo DC-PV2?
DC-PV2 è una categoria specifica all'interno dello standard IEC creata per le sfide legate alla commutazione degli impianti fotovoltaici. Certifica che l'interruttore è in grado di interrompere in modo sicuro le caratteristiche uniche di corrente/tensione di un campo fotovoltaico sotto carico, che può essere più difficile da estinguere rispetto a un carico resistivo standard.

5. Cosa succede se la tensione nominale del mio interruttore è troppo bassa?
Se la tensione del sistema (in particolare il picco di Voc in un impianto fotovoltaico freddo) supera la portata dell'interruttore, il traferro all'interno potrebbe non essere sufficiente a isolare la tensione. Ciò può causare il mancato spegnimento dell'arco elettrico all'apertura o, nel peggiore dei casi, il flashover della corrente all'interno dell'interruttore, causando un guasto catastrofico.

6. Una classificazione IP più elevata è sempre migliore?
Non necessariamente. I gradi di protezione IP più elevati (come IP67) spesso implicano un involucro più sigillato, che può intrappolare più calore e richiedere un maggiore declassamento termico. L'approccio migliore è quello di scegliere il grado di protezione IP più adatto all'ambiente di installazione specifico, senza eccedere nella progettazione. Un interruttore IP65 è spesso sufficiente per molti ambienti esterni.

7. Come influisce l'altitudine su un interruttore CC?
Ad altitudini più elevate (oltre i 2000 m), l'aria è meno densa. Questo ha due effetti: 1) Riduzione della capacità di raffreddamento, con conseguente necessità di declassamento della corrente. 2) Riduzione della rigidità dielettrica, il che significa che una tensione più elevata ha maggiori probabilità di saltare una fessura, il che richiede un declassamento della tensione.

8. Cosa sono i contatti “a doppia rottura”?
Si tratta di un design in cui un'unica azione di commutazione apre il percorso del circuito in due punti separati contemporaneamente. In questo modo, l'energia dell'arco viene suddivisa in due archi più piccoli e gestibili, rendendone più facile e veloce l'estinzione e migliorando significativamente la capacità di interruzione in corrente continua dell'interruttore.

Conclusione: Sicurezza attraverso una selezione metodica

La scelta del giusto interruttore di manovra-sezionatore CC non è un compito banale. Si tratta di una decisione ingegneristica critica che ha un impatto diretto sulla sicurezza, l'affidabilità e la durata dell'intero sistema di alimentazione. La semplice corrispondenza con la tensione e la corrente di targa è insufficiente e pericolosa.

Seguendo il processo in cinque fasi (valutazione della tensione del sistema con correzione della temperatura, applicazione di un rigoroso declassamento termico alla corrente di carico, verifica della resistenza ai cortocircuiti, valutazione delle esigenze ambientali e richiesta di una certificazione da parte di terzi), gli ingegneri e i progettisti possono passare dalla semplice selezione dei componenti alla progettazione di sistemi robusti. La comprensione della scienza interna dei materiali di contatto e dei meccanismi di spegnimento dell'arco consente di specificare un prodotto non solo conforme, ma realmente superiore.

In definitiva, un approccio metodico garantisce che il dispositivo scelto svolga in modo impeccabile la sua funzione più critica: scollegare l'alimentazione in modo sicuro e affidabile, ogni singola volta.

Didascalia: L'obiettivo del processo di selezione è trovare un interruttore che si collochi nel quadrante “Ottimizzato e affidabile”, bilanciando prestazioni, conformità ed economicità senza compromettere la sicurezza.

Riferimenti

1. Commissione Elettrotecnica Internazionale. (2020). IEC 60947-3: Apparecchiature di comando e controllo a bassa tensione. 
2. Energia solare internazionale. (2022). Progettazione e installazione del sistema fotovoltaico. 
3. “Spiegazione della commutazione in corrente continua”, Eaton Corporation, White Paper WP012001EN. 
4. Associazione nazionale per la protezione antincendio. (2020). NFPA 70, Codice elettrico nazionale.