|
LA SICUREZZA ELETTRICA
IN BASSA TENSIONE
Protezione
attiva dai contatti indiretti in relazione al sistema di distribuzione
(5)
Per un guasto franco
a terra le norme CEI richiedono l’intervento dei dispositivi
di protezione entro un tempo tanto più piccolo quanto maggiore
è la tensione di fase; ad esempio dalla tabella 7.3
per U0 = 230V (nuovo valore unificato a livello
europeo) il tempo d’interruzione non deve
superare 0,4 s con l’eccezione dei circuiti
di distribuzione e dei circuiti terminali che alimentano apparecchi
fissi per i quali è ammesso un tempo d’intervento non superiore
ai 5s purché sia soddisfatta una delle seguenti condizioni
enunciate dall’art. 413.3.5 delle Norme CEI 64-8:
a)
l’impedenza del conduttore di protezione che collega
il quadro di distribuzione al punto nel quale il conduttore
di protezione è connesso al collegamento equipotenziale principale
( generalmente il collettore di terra) non deve essere superiore
a ZPE=Zsx50/U0;
b)
esiste un collegamento equipotenziale supplementare
che collega localmente al quadro di distribuzione gli stessi
tipi di masse estranee indicati per il collegamento equipotenziale
principale che soddisfa le prescrizioni riguardanti il collegamento
equipotenziale principale di cui al Capitolo 54 delle Norme
CEI 64-8.
Un circuito terminale
è un circuito che alimenta un apparecchio utilizzatore o una
presa a spina mentre un circuito di distribuzione
è un circuito e che fa capo generalmente ad un quadro elettrico
dal quale si distribuiscono più circuiti terminali. Un guasto
a terra su di un circuito di distribuzione è poco probabile
(fig. 7.8); potrebbe avvenire su di in canale metallico o
sul quadro di distribuzione, meno probabile comunque che sugli
apparecchi utilizzatori o sui componenti dell’impianto. Se
a questo si aggiunge la difficoltà di garantire la selettività
tra le protezioni, sia di sovracorrente che differenziali,
si comprende perché si sia adottato il tempo di 5s per questi
circuiti (fig. 7.9). Anche per gli apparecchi fissi di grande
potenza sarebbe stato arduo rispettare i tempi di 0,4s e,
dal momento che solitamente sono meno pericolosi degli apparecchi
trasportabili, la Norma ci concede di interrompere il
circuito in 5s. Su di un apparecchio fisso la probabilità
che si manifesti un guasto non è comunque del tutto trascurabile
e le tensioni che vi si stabiliscono per 5s possono
trasferirsi sulle masse degli apparecchi trasportabili e portatili
(Gli apparecchi trasportabili sono più pericolosi di
quelli fissi anche se in genere, come prescrive il
DPR 547/55 all’art. 315, sono di classe II e quindi protetti
per costruzione dai contatti indiretti. In sede internazionale
sono però ammessi anche apparecchi di classe I ed ecco che
la Norma prescrive l’interruzione automatica del circuito
e il rispetto dei tempi della tabella 7.3 per tutti gli apparecchi
elettrici trasportabili anche se alimentati da presa a spina).
E’ così che si spiegano le due condizioni prescritte dalle
Norme che tengono conto, a differenza dei circuiti di
distribuzione in cui la probabilità di guasto è minore, della
maggior probabilità che si possano verificare guasti sugli
apparecchi fissi. In un sistema TN, in caso di guasto a terra,
il potenziale che assume l’apparecchio guasto, in questo caso
l’apparecchio fisso, sappiamo che dipende dalla caduta di
tensione sul conduttore di protezione per cui il potenziale
varia da una massa all’altra (a differenza del sistema TT
in cui, a causa di un guasto in un punto qualsiasi dell’impianto,
tutte le masse assumono uno stesso potenziale dipendendo questo
dal rapporto tra la resistenza di terra dell’impianto e la
resistenza di terra del neutro). Un’eventuale massa
estranea assume il potenziale che ha il conduttore di protezione
all’ingresso del fabbricato, dove è stato effettuato il collegamento
equipotenziale principale. Tra massa e massa estranea si stabilisce
una differenza di potenziale che dipende dalla caduta di tensione
che si ha sul PE dall’ingresso dell’edificio alla massa. Il
potenziale assunto dall’apparecchio fisso viene trasferito
anche alla massa di un’eventuale apparecchio trasportabile
che, proprio perché trasportabile, può mettere l’operatore
in condizione di toccare contemporaneamente la massa
dell’apparecchio trasportabile e la massa estranea (fig. 7.10).
Fig. 7.8 - Un guasto sul circuito di distribuzione
non è molto frequente per cui la Norma accetta che, a causa
di tale guasto, tra l’utilizzatore U1 e la massa
estranea si stabilisca una differenza di potenziale
UU1Me=Rp x Uo / Zs per
un tempo non superiore a 5s.
L’operatore potrebbe
essere così sottoposto per cinque secondi ad una
differenza di potenziale che però non deve essere superiore
a 50V.
Fig. 7.9 - A causa di un guasto sull’utilizzatore
fisso U2, tra l’apparecchio U1 e la
massa estranea si stabilisce la tensione Rp xUo/Zs
che è accettata dalla Norma per un massimo di 5 secondi solo
se è minore o uguale a 50V.
In alternativa, se la
tensione di contatto è superiore a 50V bisogna effettuare
un collegamento equipotenziale supplementare a livello del
quadro secondario che alimenta sia l’apparecchio fisso che
l’apparecchio mobile. La tensione tra l’apparecchio trasportabile
e la massa estranea si riduce così alla caduta di tensione
sul PE che collega la massa dell’apparecchio fisso al quadro
secondario.
Fig. 7.10 - Se si verifica un guasto sull’utilizzatore
fisso U2 , tra l’utilizzatore U1 e la
massa estranea si stabilisce la tensione Rp xUo/Zs
per un tempo massimo di 5 secondi. Se è maggiore di 50 V la
norma richiede un collegamento equipotenziale supplementare.
La tensione assunta dalla
massa dell’apparecchio fisso si trasferisce sulla massa dell’apparecchio
mobile a causa del tratto comune di PE che collega il
collettore principale al quadro secondario. Se i due apparecchi
fossero alimentati separatamente e direttamente dal quadro generale
questo non accadrebbe (Fig.7.11). Una differenza di potenziale
si manifesta comunque tra i due utilizzatori ma la Norma ritiene
questo pericolo accettabile entro i 5s di permanenza
del guasto a terra.
Fig. 7.11 - Gli utilizzatori
U1 e U2 sono alimentati con due
circuiti distinti dal quadro principale. Se si verifica
un guasto sull’utilizzatore fisso U2, tra l’utilizzatore
U1 e la massa estranea la tensione è nulla essendo
gli apparecchi alimentati da due linee distinte. La tensione
che si stabilisce tra i due apparecchi è accettata dalla
Norma in quanto è ritenuto poco probabile il contatto entro
i cinque secondi di durata del guasto.
Abbiamo visto in precedenza
come la curva di sicurezza faccia riferimento alla tensione
di contatto a vuoto e che tale tensione dipende dal rapporto
tra l’impedenza di fase e l’impedenza del conduttore di protezione
(nel caso molto frequente in cui le due impedenze sono uguali
risulta UC0=U0/2). In presenza del collegamento
equipotenziale principale sappiamo che la tensione a cui è sottoposta
una persona normalmente si riduce. Inoltre, dal momento che
un guasto a terra può essere paragonato ad un corto circuito,
la Norma assume convenzionalmente che la tensione si riduca
del 20%. Se U0 vale 230V e se Zf
è uguale a Zpe (fino a sezioni di 16 mm2
il conduttore di protezione ha normalmente la stessa sezione
del conduttore di fase Zf=Zpe) dalla 7.8
si ottiene la tensione di contatto a vuoto:
Alla tensione di 92 V,
sulla curva di sicurezza in condizioni ordinarie, corrisponde
il tempo di 0,4 s. Per sezioni del conduttore di fase superiori
a 16 mm2 la sezione del conduttore di protezione
è in genere la metà del conduttore di fase, Zf è
minore di Zpe e la situazione peggiora essendo
Zf/Zp = 0,5.
La tensione di contatto UC0
diventa:
In questo caso la curva
di sicurezza non è del tutto verificata. Nonostante le apparenze
il sistema TN è abbastanza sicuro, va infatti ricordato
che i valori di corrente che si presume possano attraversare
il corpo umano in condizioni di guasto e che sono serviti per
costruire la curva di sicurezza, si riferiscono a condizioni
circuitali e ambientali molto cautelative. Nella maggioranza
dei casi le condizioni sono sicuramente migliori e solo in casi
particolari sono possibili condizioni più gravose. Un caso critico,
per altro poco frequente, è quello di guasto non franco a
terra e cioè con l’interposizione di una resistenza tra
la fase e la massa. Questa potrebbe limitare la corrente ritardando
l’apertura del circuito senza ridurre la tensione di contatto
entro i limiti di sicurezza. Ovviamente se la UC0
non supera in nessun punto i 50V non è necessario l’intervento
delle protezioni. Dalla 7.8 se poniamo UC0=50V, U0=230V
e risolviamo rispetto a Zp :
Se Zpe è inferiore
a Zf/2,68 la tensione di contatto totale (cioè
la tensione di contatto tra la massa interessata e il punto
del sistema a potenziale zero) è inferiore a 50 V. Questo è
impossibile da ottenere quando si fa uso esclusivamente del
conduttore di protezione incorporato nel cavo di alimentazione,
come normalmente accade negli impianti di tipo civile dove l’impianto,
che si sviluppa prevalentemente in verticale, è dotato di un
unico collettore di terra posto alla base dei montanti dal quale
si dipartono i vari conduttori di protezione. Tali valori di
Zpe si possono invece ottenere facilmente negli impianti
industriali nei quali al trasporto della corrente di guasto
sono chiamati vari elementi dell’impianto di terra. Si
potrebbe ad esempio far seguire al fascio di cavi di potenza
un conduttore di protezione principale di notevole sezione cui
potrebbero far capo i singoli conduttori di protezione
degli utilizzatori e il conduttore di protezione principale
che lungo il suo percorso potrebbe essere collegato anche
ad un certo numero di collettori di terra. Questi
potrebbero, a loro volta, essere collegati mediante conduttori
di terra al dispersore a maglia, che partecipa al trasporto
della corrente di guasto verso il centro stella del trasformatore.
In questo modo il circuito di ritorno presenta un’impedenza
molto bassa che permette di limitare la tensione di contatto
al di sotto di 50 V). Con questo sistema si ottiene anche una
buona equipotenzialità che riduce la tensione di contatto a
valori ancora più bassi. Da notare che se nella peggiore situazione
di guasto non viene superato sulle masse il valore della tensione
di contatto limite (UL - 50V gli ambienti
ordinari - 25 V per quelli particolari) non si possono creare
situazioni pericolose e le norme permettono di non attuare la
protezione contro i contatti indiretti mediante il sistema ad
interruzione automatica dell’alimentazione in tempi prestabiliti
(messa a terra coordinata con il dispositivo di interruzione).
Occorre però sottolineare che conoscere la tensione di contatto
sulle masse non è sempre facile. La si può misurare immettendo
una corrente di prova nel circuito e andando alla ricerca dei
punti più pericolosi che però possono essere molto numerosi
e quindi difficili da individuare. E’ una ricerca molto delicata
e che viene normalmente affidata all’esperienza del verificatore.
7.2.5
Interruttori differenziali e sistema TN
Tutte le preoccupazioni
emerse sopra vengono meno utilizzando gli interruttori
differenziali perché sono dispositivi in grado di
aprire il circuito in centesimi di secondo (con le elevate
correnti di guasto, tipiche dei sistemi TN, in 30-40ms). Non
va dimenticato però che il vantaggio dei sistemi TN è quello
di utilizzare i dispositivi di massima corrente per la protezione
dai contatti indiretti: ricorrere agli interruttori differenziali
vuol dire rinunciare a questo vantaggio. Bisogna infine ricordare
che questi dispositivi possono essere utilizzati solo nei sistemi
TN-S in quanto nei sistemi TN-C l’uso combinato del conduttore
di neutro e di protezione ne impedirebbe il funzionamento in
caso di guasto a terra. Nei sistemi TN si è detto che un guasto
franco a terra costituisce un corto circuito monofase a terra
quindi la corrente differenziale corrisponde ad una corrente
di corto circuito. L’interruttore deve essere capace di interromperla
poiché si è in presenza proprio di una corrente differenziale.
Come per un interruttore magnetico contro il cortocircuito è
stabilito il potere d’interruzione, cosi per l’interruttore
differenziale deve essere specificato il potere d’interruzione
differenziale. Se il dispositivo non è dotato di sganciatori
di sovracorrente nei sistemi TN occorre verificare che il potere
d’interruzione differenziale sia maggiore della corrente presunta
di cortocircuito monofase a terra. In alternativa il dispositivo
differenziale deve essere associato ad un dispositivo di protezione
di massima corrente capace di assicurare la protezione di tutto
il circuito compreso il differenziale in situazione di cortocircuito
(il coordinamento tra i vari dispositivi deve essere dichiarato
dal costruttore).
7.2.6
Il neutro in condizioni anomale del circuito
In caso di anomalia nel
circuito il neutro può assumere tensioni verso terra pericolose
e tutte le masse assumono questa tensione anche se non sono
interessate da nessun guasto d’isolamento. Queste tensioni possono
essere originate o sull’impianto di terra del neutro o
sul conduttore di neutro stesso. L’impianto di terra del neutro
può introdurre tensioni pericolose a causa di un guasto sull’alta
tensione o a causa di un guasto a terra sulla bassa tensione.
Se un conduttore sulla distribuzione aerea in bassa tensione
dovesse entrare in contatto col suolo, il circuito si chiuderebbe,
verso il neutro in cabina, attraverso la resistenza verso terra
RE del conduttore in contatto col suolo e attraverso
la resistenza Rn del neutro messo a terra in cabina.
I dispositivi di protezione intervengono difficilmente entro
i tempi previsti dalla curva di sicurezza per un guasto
a terra in linea anche perché la corrente di guasto è limitata
dalle resistenze di terra. Tale guasto può permanere per
lungo tempo ed è necessario che la resistenza Rn
sia di valore tale per cui la tensione applicata su di essa
non superi il valore UL di tensione limite;
deve cioè essere rispettata la relazione :
 (7.16)
Da cui :
 (7.17)
RE= Resistenza di terra dell’elemento
verso cui si è prodotto il guasto
Rn = Resistenza di terra del
neutro
Questi problemi sono caratteristici
dei sistemi di distribuzione dell’energia elettrica pubblica
e quindi interessano in particolare le società distributrici
(in ogni caso occorre sottolineare che si assumono valori convenzionali
di Rn prudenziali per la messa a terra del neutro
in cabina e lungo la linea). Al contrario in un impianto di
distribuzione alimentato da propria cabina l’impianto di terra
è unico e se si verifica un guasto verso una massa o una
massa estranea, essendo queste collegate a terra, il conduttore
di protezione cortocircuita la Rn del partitore
di tensione costituito dalle resistenze Rn ed RE.
Se invece il guasto avviene verso il terreno (conduttore a contatto
col suolo) in genere RE ha valori piuttosto elevati
e quindi la tensione sul neutro è in genere ridotta a valori
non pericolosi. Oltre ai motivi indicati sopra, il neutro può
assumere tensioni pericolose anche a causa di correnti di squilibrio
elevate, corto circuito tra fase e neutro o interruzione del
conduttore neutro stesso, anche se bisogna sottolineare che
questi pericoli sussistono solo se il conduttore di neutro
è utilizzato anche come conduttore di protezione (conduttore
PEN poco usato). Da queste considerazioni si può concludere
che il sistema TN deve essere utilizzato per gli impianti
con propria cabina di trasformazione (Le norme CEI impongono
il sistema TN per utenze di questo tipo) in quanto il sistema
può essere gestito in modo tale da garantire i requisiti di
sicurezza necessari, mentre, a causa dei complessi problemi
di responsabilità tra utente e distributore (non è semplice
per il distributore fornire i requisiti di sicurezza necessari),
è preferibile l’utilizzo del sistema TT.
| Circuito
di guasto |
La corrente di guasto
si richiude attraverso il conduttore di protezione
o attraverso il conduttore di protezione e l’impianto
di terra quando l’impianto di terra è suddiviso in più
parti sia in cabina che presso gli utilizzatori. |
| Impianto di terra
|
Utilizzatori e cabina
hanno impianti di terra in comune |
| Protezione dai
contatti indiretti |
La tensione totale
di terra presso gli utilizzatori dipende dall’impedenza
dell’anello di guasto. La protezione può essere assicurata
con l’interruzione del guasto, ottenuta per mezzo di
interruttori magnetotermici o di relè differenziali,
e garantendo una buona equipotenzialità.
|
| Fornitura
|
Alimentazione in
MT degli impianti che devono essere dotati di propria
cabina di trasformazione MT/BT |
| Vantaggi |
Il guasto viene
interrotto tempestivamente all’insorgere del primo difetto
di isolamento. Può essere evitato l’uso di relè differenziali.
|
| Svantaggi
|
Il coordinamento
delle protezioni magnetotermiche può essere difficoltoso.
Impianto di terra costoso. |
Tab. 7.4 – Principali caratteristiche
di un sistema TN-S
continua...
|
