Caratteristiche costruttive della cartuccia fusibile e principio di funzionament

Costruttivamente un fusibile è costituito da un filamento metallico, normalmente realizzato in rame o in argento, sul quale possono essere praticate delle strozzature che ne favoriscono l’intervento.
Queste particolari sagomature (fig. 5) determinano diverse condizioni di riscaldamento, e quindi di fusione, permettendo di ottenere, se opportunamente calibrate, sia la protezione contro le correnti di sovraccarico, di piccola/media intensità e di lunga durata, sia la protezione contro le correnti di corto circuito, di elevata intensità ma di breve durata.
Le correnti di sovraccarico sono correnti anomale di bassa intensità che devono essere interrotte in tempi, variabili dalle ore ai secondi, inversamente proporzionali alla corrente stessa. La caratteristica di intervento in sovraccarico prevede un riscaldamento uniforme dell’elemento fusibile di tipo non adiabatico (con scambio di calore con l\'ambiente).

Le correnti di corto circuito sono correnti di guasto di alta intensità che devono quindi essere interrotte in tempi brevissimi, dell\'ordine di alcuni millisecondi.
Il riscaldamento dell’elemento fusibile è di tipo adiabatico (senza scambio di calore con l\'ambiente esterno) con un aumento della temperatura più rapido nei tratti a sezione inferiore a più elevata resistenza. Questo determina la fusione in più punti e la formazione di più archi in serie che facilitano una più rapida interruzione della corrente.
L’elemento fusibile viene inserito poi in un involucro di ceramica o di altro materiale isolante riempito a sua volta con un materiale sabbioso inerte (solitamente di quarzo) per agevolare ulteriormente lo spegnimento dell’arco che si manifesta durante la rottura dell\'elemento fusibile.
Un dispositivo di segnalazione dell’intervento può eventualmente completare la semplice costruzione della cosiddetta cartuccia fusibile. In alcuni fusibili per uso industriale può essere presente anche un percussore che viene attivato al momento della fusione e che può servire per determinare, meccanicamente o tramite un comando elettrico, l\'intervento di altri apparecchi.
Il dispositivo di protezione nel suo insieme comprende solitamente anche un elemento porta cartuccia dotato di contatti per la connessione e di sistemi per l’estrazione in sicurezza della cartuccia.

Riassumendo un apparecchio di protezione a fusibile comprende:

• Cartuccia - In fig. 6 è descritta in tutte le sue parti una tipica cartuccia a bassa tensione per applicazioni industriali. Le cartucce fusibili sono caratterizzate da un elevato potere di interruzione e presentano un intervento estremamente rapido che consente di limitare la corrente a valori notevolmente inferiori alla corrente di cortocircuito presunta nel suo punto di installazione.
  Le cartucce per applicazioni industriali rispondenti alla Norma IEC 60269-2-1 devono possedere un potere di interruzione non inferiore a 50 kA in corrente alternata o 25 kA in corrente continua con correnti nominali comprese fra 2 A e 6000 A.
  Le cartucce fusibili per applicazioni domestiche conformi invece alla IEC 60269-3-1 sono previste per correnti nominali da 2 A a 100 A, con un potere di interruzione non inferiore a 6 kA in corrente alternata. Una delle parti più importanti della cartuccia è l’elemento fusibile costituito da una sottile barretta sagomata tramite stampi di precisione.
  Le dimensioni, la particolare sagoma dell’elemento fusibile e la selezione accurata dei vari materiali, rivestono una notevole importanza nel garantire la sicurezza e la precisione di intervento del dispositivo.
  La cartuccia è connessa alla base o al portacartuccia per mezzo di contatti realizzati in rame o in lega di rame protetti con un rivestimento per impedire la formazione di depositi di materiale non conduttivo. Per evidenziare l’avvenuta fusione del fusibile alcune cartucce possono essere equipaggiate con indicatori o percussori che permettono di riconoscere con facilità l’eventuale intervento del dispositivo di protezione.
  
• Base - Parte fissa del fusibile munita di contatti, morsetti e calotte.
  
• Portacartuccia - I portacartuccia (eventualmente con maniglie di estrazione) contengono le cartucce e ne devono consentire, secondo regole specificate, la sostituzione in sicurezza. Sono costruite con materiale isolante e sono sottoposte a prove come previsto per gli utensili destinati a lavori sotto tensione. In alcuni apparecchi i portacartuccia sono parte integrante del supporto e risulta inutile l’uso di maniglie di estrazione.

Il fusibile è un dispositivo utilizzato come protezione contro le sovracorrenti che fornisce il meglio di se quanto è richiesta una forte limitazione dell’energia specifica passante e del picco di corrente.

Le sovracorrenti, come si è detto, possono essere fondamentalmente di due tipi:

• sovraccarichi - Sono correnti tipiche di un circuito elettricamente sano percorso da correnti che possono raggiungere le 6 - 8 volte la corrente nominale, sopportabili per un tempo determinato perché producono sollecitazioni termiche. Un sovraccarico non controllato può evolvere rapidamente in un corto circuito e quindi dovranno essere adottate delle protezioni che intervengano in tempi tanto più brevi quanto maggiore è l’entità del sovraccarico.
  
• corto circuiti - Si verificano in un circuito elettricamente guasto a causa di un contatto, di impedenza nulla tra due parti in tensione, che esclude la parte di impianto a valle del guasto. La corrente aumenta molto rapidamente sottoponendo il circuito a sollecitazioni termiche e a sforzi elettrodinamici, provocando archi elettrici che possono essere causa di innesco d’incendio o di esplosioni. Poiché gli effetti di un corto circuito si manifestano in tempi brevissimi il guasto deve essere eliminato quasi istantaneamente.

In presenza di sovracorrenti il fusibile apre il circuito garantendo dei tempi di intervento che decrescono sensibilmente all’aumentare della corrente (fig. 7).
Quando le correnti di corto circuito sono molto alte il fusibile interviene, limitando la corrente, con grande anticipo rispetto al raggiungimento del valore di picco (fig. 8).
Questo comportamento lo si può rilevare anche dalla curva I2t dell’ energia specifica lasciata passare dal dispositivo che si mantiene pressoché costante perché, all’aumentare della corrente, si riducono nel contempo anche i tempi di intervento.

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