Pyrofuse: i fusibili che “s
coppiano”
L’ultima frontiera dei sistemi di protezione dei circuiti in corrente continua
I fusibili e gli interruttori automatici svolgono una importante funzione di sicurezza nei sistemi di trasporto elettrico. Le nuove applicazioni, soprattutto in corrente continua, hanno però portato i dispositivi di limitazione di corrente convenzionali ai loro limiti. Infatti, gli interruttori meccanici possono risultare troppo lenti ad aprirsi per le reti con grandi correnti di guasto a causa della loro inerzia meccanica. Parimenti i fusibili possono essere troppo lenti ad intervenire con correnti di guasto molto basse, prossime cioè al limite di intervento. Quello che rende l’apertura di un circuito in corrente continua soggetto a guasto più complesso rispetto al caso in corrente alternata è la mancanza del naturale attraversamento dello zero tipico delle variabili (correnti, tensioni) alternate, che aiuta ad estinguere le correnti di guasto. E’ pertanto necessario un nuovo approccio alla protezione e sicurezza di questi circuiti e sistemi. Nella nostra esperienza quotidiana incontriamo ad esempio questo problema nei sistemi di generazione fotovoltaica, nello stoccaggio di energia, nei veicoli elettrificati (ibridi e full electric).
INTRODUZIONE
Storicamente fusibili e interruttori automatici elettromeccanici
sono impiegati per proteggere i circuiti sia in alternata sia in continua dalle sovracorrenti, con continue innovazioni e miglioramenti per tenerne le prestazioni allineate con l’evoluzione delle necessità.
La Figura 1 qua a fianco riflette la matrice (valori indicativi) dei requisiti di corrente/tensione di varie applicazioni in corrente continua già esistenti e previste nei prossimi anni. La corrente e la tensione per queste applicazioni sono comprese tra 24/48V - 1500V e 20A-1500A.
Molti costruttori hanno pertanto sviluppato e portato probabilmente al loro limite ultimo le soluzioni “tradizionali”, basate su fusibili. Detti dispositivi proteggono i nostri dispositivi e sistemi da quando esiste l'elettricità. In particolare, da oltre un secolo, i fusibili limitatori di corrente forniscono una protezione contro le sovracorrenti a basso costo, sono facili da installare, sono anche compatti, veloci e affidabili. Dagli anni ‘50, la tecnologia dei fusibili ha evoluto la sua velocità e potenza, adattandosi a condizioni di lavoro più estreme, per proteggere i semiconduttori nella nuova era dell'elettronica di potenza.
Nonostante i molteplici progressi fatti, il loro principio di funzionamento li rende lenti nell’intervento quando le correnti di guasto siano poco superiori a quelle di normale funzionamento e scarsamente precisi o ripetibili fra esemplari dalle stesse caratteristiche nominali.
A fianco dei fusibili troviamo gli interruttori automatici, ampiamente utilizzati anche per la protezione dai cortocircuiti. La loro capacità di essere ripristinati senza la loro sostituzione è un notevole vantaggio rispetto ai fusibili. Inoltre, gli interruttori automatici presentano una caduta di tensione molto ridotta quando chiusi e una buona separazione galvanica quando aperti. Tuttavia, quando viene rilevato un guasto, gli interruttori automatici funzionano in genere più lentamente dei fusibili a causa dell'elevata costante di tempo meccanica. Nelle reti in corrente continua, la presenza di archi porta ad una precoce erosione dei contatti, con conseguente riduzione della durata del dispositivo ed un aumento dei costi di manutenzione. Teniamo sempre presente poi che un tempo più lungo per reagire a una corrente di guasto di grandi dimensioni porta con sé un aumento della potenza che finirà per sollecitare il circuito a valle da proteggere.
Naturalmente fusibili ed interruttori automatici sono in continua evoluzione e miglioramento, ma in fondo si basano sempre sugli stessi principi fisici fondamentali.
Una nuova protezione contro le sovracorrenti:
i piroswitch e i pirofuse
Piroché?
Prima di addentrarci negli aspetti tecnici, una veloce premessa lessicale. Come mai questi nuovi dispositivi condividono il prefisso “piro” nel loro nome? Come riportano i dizionari più autorevoli, la parola “piro” deriva dal greco πῦρ πυρός «fuoco», in composizione πυρο. Primo elemento di molte parole composte, derivate dal greco o formate modernamente, che fanno riferimento al fuoco e a concetti analoghi (fiamma, combustione, calore, alta temperatura, ecc.). Iniziamo quindi da questo aspetto linguistico ad immaginarci un principio di funzionamento appunto “pirotecnico” e non meramente termico o meccanico come nei dispositivi tradizionali di cui abbiamo parlato poc’anzi.
Piroswitch
A partire dagli anni ‘80 sono cominciati ad apparire sul mercato i primi dispositivi di protezione pirotecnici, detti all’epoca piristori e sono stati impiegati in applicazioni AC/DC, tra cui, ma non solo, gallerie del vento, cicloconvertitori, ecc. mentre versioni per basse potenze hanno trovato impiego a partire dagli anni ‘90 nell'industria automobilistica con l'introduzione dei primi airbag nei veicoli europei.
Il piroswitch è un interruttore elettrico in cui, a differenza di un fusibile, il tempo di apertura non dipende dall'entità del sovraccarico, anzi può addirittura essere fatto “saltare”
preventivamente, poco prima che le condizioni di pericolo abbiano luogo. Infatti, come esemplificato accanto e più in generale, un piroswitch utilizza una corrente di comando esterna al circuito da proteggere che innesca una carica pirotecnica: il gas che si sprigiona, aziona un pistone tagliente che tronca di netto il conduttore elettrico da proteggere, interrompendo così galvanicamente il flusso di corrente. In questo modo si ottiene un comportamento molto semplice e quindi estremamente affidabile. Dopo l’intervento il conduttore da proteggere risulta interrotto, isolando così il circuito in guasto o da proteggere. Il te