Sicurezza di un impianto elettrico

impianto elettrico a norma
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La sicurezza è la caratteristica fondamentale di un buon impianto elettrico: infatti su di essa si basa tutta la normativa del dimensionamento, a partire dalla sezione dei cavi, fino alla scelta dei dispositivi di protezione.

Un livello di sicurezza assoluto non è raggiungibile in quanto annullare il rischio di guasto elettrico in un impianto è praticamente impossibile. Occorrerà perciò raggiungere un livello di sicurezza “accettabile”, cioè il più alto livello di sicurezza possibile coniugato alle esigenze economiche e di continuità di servizio.

Il problema della sicurezza di un impianto può essere visto sotto due aspetti differenti ma non indipendenti tra loro:

  1. LA PROTEZIONE DELLE PERSONE, cercando di evitare che entrino in contatto con parti in tensione,e nel caso che avvenga, cercando di limitare le conseguenze.
  2. LA PROTEZIONE DELL’IMPIANTO STESSO, evitando che sia attraversato da correnti eccessive.

 

IMPIANTO DI TERRA

Il primo passo per una reale protezione delle persone è la realizzazione di un adeguato impianto di terra; questo avviane mediante il collegamento a terra di tutte le parti metalliche conduttrici dell’impianto elettrico (dette  “masse” se fanno parte di apparecchiature comprese nell’impianto elettrico e “masse esterne” se fanno parte di apparecchiature di altri impianti), attraverso un apposito conduttore, per far si che esse abbiano sempre, in ogni condizione, lo stesso potenziale della terra.

Se questo potesse essere effettivamente realizzato si ridurrebbero a zero i pericoli per le persone, per lo meno per quanto riguarda i contatti indiretti che sono i più insidiosi.

Purtroppo questa equipotenzialità non è raggiungibile a causa della vastità degli impianti e della impedenza, comunque non nulla,  ei conduttori che fa si che il potenziale ai piedi di un individuo, che entra in contatto con una massa in tensione, non possa essere sempre quello della massa stessa.

  • DN e DA (dispersore): è un corpo conduttore o gruppi di corpi conduttori in contatto elettrico con il terreno. Può essere naturale (DN), se realizzato con strutture esistenti, o artificiale (DA), se se realizzati appositamente per questo scopo, oppure può essere una combinazione dei due.
  • CT (conduttore di terra): serve per collegare il collettore principale di terra al dispersore o i vari dispersori tra loro.
  • MT (collettore principale di terra): serve per il collegamento al dispersore dei conduttori di protezione, inclusi i conduttori equipotanziali  e di terra.
  • EQP (conduttori equipotenziali principali): servono per il collegamento al morsetto principale di terra dei tubi metallici dell’acqua e di altre masse estranee, cioè parti conduttrici che non fanno parte dell’impianto ma suscettibili di introdurre il potenziale di terra, al fine di evitare tensioni pericolose tra masse che sono accessibili simultaneamente.
  • EQS ( conduttori equipotenziali supplementari): ripetono localmente il collegamento equipotenziale principale. Collegano altre masse presenti in luoghi di maggiore rischio elettrico (bagni, piscine ecc..)al conduttore di protezione.
  • PE (conduttori di protezione): collegano le masse dei vari componenti al collettore di terra.

SISTEMI ELETTRICI

Dalla norma CEI 64-8 per sistema elettrico si intende il complesso delle macchine, delle apparecchiature, delle sbarre e delle linee aventi una determinata tensione nominale, cioè quella tensione (concatenata nei sistemi trifase) alla quale sono riferite le caratteristiche dell’impianto.

Infatti un sistema elettrico può essere  classificato sia in base alla sua tensione nominale sia in base alla messa a terra.

Quest’ultima classificazione è caratterizzata da due lettere. La prima indica lo stato del neutro con il seguente significato:

  • T, neutro direttamente a terra;
  • I, neutro isolato o a terra tramite un’impedenza.

La seconda indica la situazione elle masse:

  • T, masse a terra;
  • N, masse collegate al numero del sistema.

Si individuano così i seguenti sistemi:

SISTEMA TT

Neutro e masse direttamente collegati a terra.

SISTEMA TN

Neutro collegato a terra e masse collegate al neutro.Questo sistema a sua volta può essere ulteriormente classificato in base allo stato del conduttore di protezione in:

  1. TN-C se neutro e conduttore di protezione sono uniti in un unico conduttore comunemente denominato PEN.
  2. TN-S se neutro e conduttore di protezione sono separati.
  3. TN-C-S se neutro e conduttore di protezione sono combinati in un unico conduttore solo in una parte del sistema.

SISTEMA IT

Neutro isolato, o collegato a terra tramite impedenza, e masse a terra.

CONTATTI DIRETTI E CONTETTI INDIRETTI

Un buon impianto di terra riduce al minimo il pericolo di contatti indiretti, coiè di contatti di persone con parti in tensione a causa di un guasto. Questi tipi di contatti si distinguono dai contatti diretti, cioè dal contatto di persone con parti attive dell’impianto (compreso per convenzione il conduttore neutro ed escluso quello di protezione).

Mentre in questi ultimi possono essere evitati con una condotta prudente verso l’impianto, ben più difficile è difendersi dai contatti indiretti, in quanto è impossibile evitare il contatto con parti ordinariamente non in tensione.

Oltre a ciò è necessario utilizzare altri tipi di protezione che, da una parte riducano la possibilità di guasto, dall’altra intervengano, qualora questo si verifichi, per interrompere automaticamente il circuito.

CURVE DI SICUREZZA

Per valutare la pericolosità delle conseguenze che un guasto su un impianto provoca sulla salute delle persone è stata fatta una serie di studi attia valutare le correnti e le tensioni sopportabili dal corpo umano in funzione del tempo.

Uno dei risultati più interessanti riguarda le curve di sicurezza; questi sono grafici che indicano i limiti di pericolosità in funzione della tensione di contatto.

Questi limiti sono stati quantificati in tensione partendo dai valori di corrente pericolosa applicando la legge di Ohm ai valori di resistenza del corpo umano in relazione al tragitto più pericoloso, cioè dalla mano sinistra ai piedi, alla resistenza del pavimento. Si ottengono così delle curve  in cui possono essere evidenziati i valori delle tensioni limite di contatto Ul, cioè le massime tensioni che il corpo umano può sopportare per un tempo di 5 secondi, sia in condizioni ordinarie (Ul = 50V) che  straordinarie (Ul = 25 V)

Il tempo di 5 secondi è un valore sperimentale e deriva dal fatto che, una qualsiasi tensione inferiore al valore limite può essere tollerata per un tempo praticamente infinito.

PROTEZIONE COMBINATA CONTRO I CONTATTI DIRETTI E INDIRETTI

La protezione combinata sia contro i contatti diretti che contro quelli indiretti viene generalmente usata solo dove il rischio di folgorazione è molto elevato, come piscine, cantieri edili ecc..

La norma CEI64-8/411 afferma che questo tipo di protezione può essere realizzato alimentando gli apparecchi con un sistema elettrico a tensione nominale verso terra non superiore a 50V in corrente alternata e 120 V in corrente continua.

Per garantire la protezione è necessario assicurarsi che detti limiti di tensione non vengano superati.

Ciò si realizza, ad esempio, predisponendo una alimentazione da sorgente autonoma o di sicurezza con separazione da altri sistemi elettrici (batterie di pile, gruppo elettrogeno con trasformazione di sicurezza ecc.).

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI DIRETTI

La protezione contro i contatti diretti deve mirare ad impedire a chiunque di entrare in contatto con parti attive dell’impianto.

Una buona protezione può essere fatta applicando sei misure di sicurezza.:

  • Totali, attraverso isolamento delle parti attive, involucri e barriere (CEI 64-8/412.1 e 412.4);
  • Parziali (protezione passiva), attraverso ostacoli e opportuni di stanziamenti (CEI 64-8/412.3 e 412.4);

Addizionali (protezione attiva) attraverso dispositivi a sovracorrente o differenziali (CEI 64-8/412.5). In quest’ultimo caso si parla di protezioni addizionali in quanto esistono alcuni casi, per altro  piuttosto rari, in cui solo un interruttore non svolgerebbe una adeguata protezione. Tra questi è da ricordare il caso in cui la corrente su una fase abbia una componente continua dovuta a circuiti raddrizzati presenti nel circuito. In questo caso le caratteristiche di intervento degli interruttori si spostano verso destra all’aumentare della componente continua, diminuendo così, fino ad annullarsi, la protezione del dispositivo.

Non necessaria  alcuna protezione contro i contatti diretti se le parti attive, pur non essendo a bassissima tensione, sono ritenute non pericolose.

E’ il caso in cui una persona venga attraversata da correnti impulsive convenzionali non pericolose, cioè:

1) Minori di 1mA in alternata o 3 mA in continua per le parti che devono essere toccate durante il servizio ordinario;

2) Minori di 3.5 mA in alternata o di 10 mA in continua per le altri parti.

Oppure se la carica disponibile è:

1) Minore di 0.5mC per le parti che devono essere toccate durante il servizio ordinario;

2) Minore di 50 mC per le altre parti.

 

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI  NEI SISTEMI TT

Lo schema tipico in un contatto indiretto in un sistema TT è rappresentato in figura…..

La linea tratteggiata rappresenta l’anello di guasto, cioè il percorso della corrente nel caso in cui la massa sia in tensione. Dall’analisi di questo schema si ottiene che, per contenere la tensione sulla massa entro il  limite di sicurezza  Ul occorerebbero  valori di Rt di pochi decimi di ohm, un valore eccessivamente basso. Non potendo limitare il valore della tensione sulle masse, per conseguire la sicurezza si riduce il tempo di permanenza della tensione, cioè si usano dei dispositivi che aprono il circuito in breve tempo, in caso di guasto. Si supponga d usare un dispositivo di protezione a sovracorrente, come un interruttore automatico o un fusibile (CEI 64-8/413.1.4.2). Quando si verifica un contatto con una massa in tensione, un individuo può essere sottoposto ad una differenza  di potenziale massima par a quella che si è stabilita ai capi della resistenza di terra Rt, cioè Rt*Ia.

Questa tensione non deve essere superiore a Ul, per cui si ottiene:

Rt< Ul /Ia ⌊Ω⌉

Dove Ia è la corrente che provoca il funzionamento del dispositivo entro cinque secondi, se il dispositivo ha una caratteristica a tempo inverso. Ad esempio può trattarsi di un fusibile o di un interruttore automatico che lavora al di sotto di un certo valore del rapporto I/In; oppure è la corrente minima che provoca lo scatto istantaneo se si tratta di un dispositivo con caratteristica di intervento istantaneo, ad esempio in un interruttore automatico che lavora al di sopra di un certo valore del rapporto I/In.

Anche in questo caso però risultano valori della resistenza di terra Rt ancora troppo piccoli, di conseguenza i dispositivi di protezione a sovracorrente non risultano adeguati per la protezione contro i contatti indiretti nei sistemi TT.

Si devono perciò utilizzare degli interruttori differenziali in cui la corrente di intervento ID è estremamente piccola e quindi è possibile realizzare valori di Rt accettabili.

NOTE SULL’UTILIZZO DI INTERRUTTORI DIFFERENZIALI

Nell’uso di interruttori differenziali occorre fare attenzione ad alcune particolarità.

Se l’impianto di terra è comune a derivazioni protette con dispositivi a sovracorrente e a derivazioni protette con interruttori differenziali, il sistema può risultare non protetto.

Infatti se si osserva la figura, per la derivazione B è sufficiente una resistenza di terra non superiore a 100W, mentre per la A, supponendo una Ia =5*In dovrebbe essere Rt£0.5W. Occorre considerare il caso peggiore, cioè quello relativo alla derivazione A, ma questo annulla il vantaggio conseguibile con l’interruttore differenziale.

Anche se l’impianto di terra è comune a più derivazioni, tutte protette da interruttori differenziali, possono verificarsi dei problemi: infatti, anche durante il funzionamento ordinario dell’impianto fluisce una certa corrente di dispersione.

Queste correnti si vanno a sommare settorialmente sulla Rt: se la risultante supera il valore IDn dei dispositivi,si può verificare una interruzione intempestiva. Generalmente è sufficiente dimensionare la Rt in base al più elevato valore delle IDn dei dispositivi posti a protezione delle singole variazioni; se però si desidera una protezione migliore, si può considerare la massima corrente di dispersione su di una fase e nulle le correnti sulle altre due fasi.

Infatti, poiché la somma di una terna di vettori a 120° non supera il maggiore di essi, si può dimensionare l’impianto di terra in funzione della più elevata tra le somme delle correnti differenziali e nominali d’intervento degli interruttori installati su ciascuna fase, come si può vedere chiaramente dalla figura.

Se però, a causa degli apparecchi utilizzatori o per la vastità dell’impianto, le correnti di dispersione sono eccessive, è bene installare sia un interruttore generale a monte, sia diversi interruttori differenziali sulle derivazioni principali. In tal modo si introduce una certa selettività orizzontale, evitando che un guasto a terra provochi la messa fuori servizio dell’impianto stesso.

Se l’interruttore generale è anch’esso differenziale, occorre fare attenzione alla selettività verticale.

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI NEI SISTEMI TN

Si consideri un sistema TN-S; come si vede dalla figura, a differenza di quanto avveniva nei sistemi TT, la corrente di guasto non si rinchiude a terra attraverso la Rn e la Rt, per cui un guasto franco a massa si traduce in pratica in un corto circuito: poiché le correnti di corto circuito possono assumere valori elevati, la protezione contro i contatti indiretti può essere assicurata da INTERRUTTORI AUTOMATICI.

Anche in questo, però, possono insorgere dei problemi poiché, se il guasto avviene in fondo alla linea, la corrente di guasto compie un percorso di elevata impedenza e quindi può risultare troppo piccola per permettere al dispositivo di aprire il circuito in tempi sufficientemente brevi.

Comunque, secondo la normativa, la protezione è valida se è verificata la disuguaglianza

Zg*Ia<Uo    [V]

In cui Zg è l’impedenza dell’anello di guasto di valore massimo a cui corrisponde la corrente di corto circuito minima, Ia è la corrente che provoca l’intervento del dispositivo di protezione entro il tempo stabilito dalla tabella per correnti che alimentano componenti elettrici mobili, portabili o trasportabili, oppure entro il tempo massimo di 5 secondi per correnti di distribuzione; Uo è la tensione di fase.

Uo [V] Tempi di interruzione

Ul<50V                                    Ul<25V

 

120

230

400

>400

 

 

0.8                                                                                                  0.4

0.4                                                                                                  0.2

0.2                                                                                                  0.06

0.1                                                                                                  0.02

Nei sistemi TT un collegamento equipotenziale tra masse estranee e conduttore di protezione non è necessario (anche s e sempre consigliabile), in quanto l’impedenza del conduttore di protezione è trascurabile rispetto alla Rt e quindi un dispositivo che soddisfi la tabella è sufficiente a  scongiurare pericoli per le persone; nei sistemi TN esso è invece importantissimo per far si che le masse dell’impianto e le masse estranee assumano dei valori di tensione il più possibile simili tra loro.

E’ evidente che questo avverrà in modo tanto migliore quanto più il collegamento  equipotenziale è prossimo la punto di guasto.

Infatti a causa dell’assenza nel circuito di guasto di resistenze elevate, adesso non è più trascurabile la caduta di tensione lungo il conduttore di protezione.

Occorre un collegamento equipotenziale supplementare locale: esso è efficace se, detta Rmm la resistenza tra le masse e masse estranee, viene rispettate la seguente disuguaglianza

Rmm<Ul /Ia [Ω]

Nei sistemi TN-S è inoltre possibile utilizzare degli interruttori differenziali, il che garantisce una maggior sicurezza poiché le elevate correnti di guasto tipiche del sistema TN ne provocherebbero l’intervento in un tempo di 30-40 ms, rendendo tollerabili tensioni fino a 280 V. Questo tipo di protezione però non è utilizzabile nei sistemi TN-C in cui il neutro e conduttore di protezione sono uniti in un unico cavo, poiché, come si vede dalla figura (esempio di sistema TN-C non protetto)  , in caso di guasto il dispositivo sarebbe attraversato da due correnti uguali e contrarie, per cui la ID sarebbe nulla e l’interruttore non interverrebbe.

 

Affinché  il dispositivo intervenga occorre collegare le masse al PEN tramite un conduttore di protezione PE a monte dell’interruttore differenziale, il che lo assimila a un sistema TN-S; anche in questo caso però ci possono essere pericoli poiché, come si vede dalla figura (esempio di impianto non protetto a causa di sovratensioni sul neutro), se il neutro assume una tensione pericolosa per qualche mal funzionamento dell’impianto, la persona non è protetta contro il contatto con la massa dell’apparecchio.

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI NEI SISTEMI IT

Il sistema IT presenta il conduttore neutro isolato: questo fa si che un guasto a terra provochi una corrente prevalentemente capacitiva, come mostra l’esempio (guasto in un sistema IT).

La corrente Id, però, generalmente ha un valore molto basso, dell’ordine di poche ampere: ciò permette di soddisfare facilmente la condizione:

Rt*Id≤Ul    [V]

 

E quindi il guasto a terra non costituisce un pericolo per le persone. Questo ha il grosso vantaggio di garantire la continuità del servizio.

Il neutro isolato però impone l’utilizzo di un dispositivo di controllo dell’isolamento verso terra di tutto l’impianto, perché un eventuale suo cedimento deve essere al  più presto identificato.

Infatti supponiamo che il primo guasto a terra non sia eliminato in tempo breve e che si verifichi         un secondo guasto a terra su un’altra fase di un altro circuito;

la corrente che scorre, dovuta alla tensione concatenata sull’anello di guasto, è elevata e quindi, l’interruzione del circuito è inevitabile, venendo meno, così, il vantaggio della continuità di servizio.

Per valutare quale tipo di protezione occorre, bisogna vedere cosa succede al verificarsi del primo guasto.

Si possono distinguere due casi: o il collegamento delle masse è fatto a gruppi di collettori diversi, oppure il collegamento di ciascuna massa è fatto su un collettore distinto e allora il sistema diventa di tipo TT (come in figura), ovvero c’è un unico collettore a cui confluiscono tutte le masse ed il sistema diventa TN con a terra una fase anziché il neutro (vedi figura). In entrambi i casi è nota l’impedenza dell’anello di guasto Zg, e, quindi, in generale, si preferisce rifarsi al secondo caso ed agire poi in modo approssimativo e convenzionale.

Si deve imporre che per ogni circuito di doppio guasto si abbia un’impedenza Zg tale che:

 

in caso di neutro non distribuito, oppure

 

in caso di neutro distribuito dove:

-Uo è la tensione fase-terra  nominale

-Ia è la corrente che provoca l’interruzione del circuito entro il tempo indicato in tabella.

Tensione nominale dell’impianto

Uo/U    (V)

Tempo di interruzione t (s)
Neutro non distribuito Neutro distribuito
  (a) (b) (c) (d)
120/210 0.8 0.4 5 1
230/400 0.4 0.2 0.8 0.4
400/690 0.2 0.06 0.4 0.2
580/1000 0.1 0.02 0.2 0.06
Le colonne (b) e (d) sono relative a una tensione limite di contattori 25V in corrente alternata.

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI SENZA INTERRUZIONE AUTOMATICA DEL CIRCUITO.

PROTEZIONE PASSIVA

La protezione passiva contro i contatti indiretti mira a limitare, attraverso accorgimenti circuitali o ambientali, non il tempo bensì la tensione che può essere applicata al corpo umano.

Essa può essere realizzata in vari modi:

  • mediante componenti elettrici di classe II o con isolamento equivalente (NORMA CEI 64-8/413.2 E 481.3.2 [1]). In questo caso, oltre all’isolamento principale, è previsto un secondo isolamento, detto “supplementare”, che impedisce il guasto. Questo isolamento denominato “doppio”, può essere sostituito da un unico equivalente chiamato “rinforzato”: un apparecchio dotato di un tale sistema di isolamento si dice di classe II.
  • mediante luoghi non conduttori (NORMA CEI 64-8/413.3 e 418.3.3 [1]): il suo scopo è quello di isolare l’individuo dal terreno attraverso l’isolamento dell’ambiente. Essa però è applicabile solo in pochi casi a causa della sua particolarità;
  • mediante collegamento equipotenziale locale non connesso a terra (NORMA CEI 64-8/413.4.1,.2,.3 e 418.3.4 [1]);
  • mediante separazione elettrica (NORME CEI 64-8/413.5 e 481.3.5 [1]): questo tipo di proezione prevede l’utilizzo di un trasformatore d’isolamento, cioè un trasformatore in cui la probabilità di guasto tra gli avvolgimenti è estremamente bassa grazie a un doppio isolamento o uno schermo metallico collegato a terra.

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