Il relè differenziale è un dispositivo di protezione elettrica che svolge un ruolo cruciale nella sicurezza degli impianti elettrici. La sua funzione principale è quella di monitorare la corrente che fluisce attraverso un circuito e di intervenire in caso di anomalie, come ad esempio perdite di corrente a terra. Questa caratteristica lo rende un elemento essenziale in molte applicazioni, sia industriali che residenziali, contribuendo a prevenire incidenti gravi, quali incendi e scosse elettriche.

Il principio di funzionamento di un relè differenziale si basa sulla legge di Kirchhoff, che afferma che la somma delle correnti che entrano in un punto di un circuito deve essere uguale alla somma delle correnti che escono. In un circuito elettrico ideale, la corrente che entra deve essere uguale alla corrente che esce. Tuttavia, in caso di guasti, come un isolamento compromesso, una parte della corrente può perdersi a terra. Il relè differenziale è progettato per rilevare questa perdita di corrente, attivando un meccanismo di interruzione del circuito.

Un relè differenziale è composto essenzialmente da un trasformatore di corrente e da un circuito di controllo. Il trasformatore di corrente misura la corrente che fluisce attraverso le fasi del circuito. Quando la corrente totale che entra nel trasformatore non è uguale a quella che esce, il dispositivo rileva un'improvvisa differenza di corrente. Se questa differenza supera una soglia preimpostata, il circuito di controllo attiva un contatto che interrompe l’alimentazione elettrica, prevenendo così potenziali danni e pericoli.

I relè differenziali sono classificati in base alla loro sensibilità, espressa in milliampere (mA). Esistono diversi livelli di sensibilità, a seconda delle esigenze dell’impianto elettrico e della normativa di riferimento. Ad esempio, i relè con una sensibilità di 30 mA sono comunemente utilizzati in applicazioni residenziali, mentre quelli con valori più bassi, come 10 mA, possono essere richiesti in contesti più critici, come negli ospedali o nelle strutture residenziali per persone anziane.

Un altro aspetto importante riguarda il tempo di intervento del relè differenziale. Questo dispositivo deve intervenire rapidamente per garantire la sicurezza degli utenti. Il tempo di intervento è regolato dalle normative vigenti e dai requisiti di progettazione degli impianti elettrici. In generale, i relè differenziali devono intervenire entro 30 millisecondi in caso di guasto, per minimizzare il rischio di scosse elettriche.

I relè differenziali trovano applicazione in una vasta gamma di contesti. In ambito residenziale, sono installati nei quadri elettrici per proteggere le abitazioni da possibili guasti elettrici. La loro presenza è obbligatoria in ambienti umidi, come bagni e cucine, dove il rischio di scosse elettriche è maggiore. Inoltre, i relè differenziali sono utilizzati anche in impianti industriali, dove proteggono macchinari e attrezzature da guasti elettrici, contribuendo a mantenere la continuità operativa e ridurre i costi legati a fermi impianto.

Un esempio concreto di utilizzo di un relè differenziale è quello presente in un impianto di alimentazione di un edificio residenziale. In questo caso, il relè è installato nel quadro elettrico principale. Se un apparecchio elettrico, come un asciugacapelli, presenta un guasto e provoca una perdita di corrente a terra, il relè differenziale rileva la differenza tra la corrente in ingresso e quella in uscita. In pochi millisecondi, il relè interrompe il circuito, proteggendo gli abitanti della casa da potenziali scosse elettriche.

Un altro esempio è rappresentato dai relè differenziali utilizzati in piscine o aree ricreative, dove l'acqua aumenta il rischio di contatti elettrici. Qui, l'installazione di relè con sensibilità di 30 mA è spesso obbligatoria per garantire la sicurezza dei bagnanti. Questi dispositivi sono progettati per rispondere rapidamente a perdite di corrente, riducendo il rischio di incidenti.

Un caso più complesso si verifica in ambienti industriali, come ad esempio in un'industria alimentare. Qui, i relè differenziali sono integrati nei circuiti di macchinari complessi, dove possono proteggere sia gli operatori che i macchinari stessi. In caso di guasto elettrico, il relè non solo interrompe l'alimentazione elettrica, ma può anche attivare segnali di allerta per avvisare il personale di un potenziale problema, consentendo un intervento tempestivo.

In termini di formule, i relè differenziali utilizzano la legge di Kirchhoff per monitorare le correnti in ingresso e in uscita. La formula fondamentale che regola il funzionamento del relè differenziale può essere espressa come segue:

I_in = I_out + I_earth

Dove:
- I_in è la corrente totale in ingresso nel circuito;
- I_out è la corrente totale in uscita dal circuito;
- I_earth è la corrente che fluisce verso terra in caso di guasto.

Il relè differenziale attiva il suo meccanismo di interruzione quando I_earth supera il valore di soglia preimpostato, che corrisponde alla sensibilità del dispositivo.

Lo sviluppo e la diffusione dei relè differenziali possono essere attribuiti a diversi ingegneri e aziende nel campo dell'elettrotecnica. Negli anni '50, i primi dispositivi di questo tipo iniziarono a entrare nel mercato, grazie all'innovazione tecnologica e alle crescenti esigenze di sicurezza degli impianti elettrici. Tra le aziende pionieristiche nel settore dei dispositivi di protezione, possiamo citare nomi come Siemens, Schneider Electric e ABB, che hanno contribuito a rendere i relè differenziali sempre più affidabili ed efficienti.

Inoltre, le normative e gli standard di sicurezza, come la norma IEC 61008, hanno svolto un ruolo fondamentale nel promuovere l'uso di relè differenziali in tutto il mondo. Queste normative stabiliscono requisiti rigorosi per la progettazione, l'installazione e l'uso di questi dispositivi, garantendo che essi rispondano alle esigenze di sicurezza moderne.

In sintesi, il relè differenziale è un dispositivo indispensabile per la protezione degli impianti elettrici. Grazie alla sua capacità di rilevare perdite di corrente e intervenire rapidamente, contribuisce a salvaguardare la vita delle persone e a proteggere gli impianti da danni. La continua evoluzione della tecnologia e delle normative garantirà che i relè differenziali rimangano un elemento chiave nella sicurezza elettrica per gli anni a venire.