Sicurezza Elettrica
Seconda Lezione
Corso di Elettrotecnica
Prof. L. Di Rienzo
Classificazione dei Sistemi Elettrici (2)
•
Gli impianti utilizzatori vengono alimentati dal circuiti BT delle cabine di
trasformazione, le quali, essendo dotate di uno o più trasformatori aventi
l’avvolgimento secondario collegato a stella, rendono disponibili le tre fasi
e il neutro.
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In relazione allo stato del neutro e alla situazione delle masse i sistemi
elettrici sono individuati con due lettere. La prima lettera indica lo stato del
neutro:
T = neutro collegato direttamente a terra;
I = neutro isolato da terra;
La seconda lettera indica la situazione delle masse:
T = masse collegate a terra;
N = masse collegate al neutro del sistema.
Sistema TT
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Ha il neutro messo direttamente a terra e le masse collegate ad un impianto
di terra elettricamente indipendente (rete di distribuzione di BT, 230 V /
400 V; potenze installate inferiori a circa 30 kW):
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Nei sistemi TT non vengono prese particolari misure per rendere innocuo il
conduttore di neutro, che deve pertanto essere considerato un conduttore
attivo a tutti gli effetti. Il conduttore PE non deve essere mai sezionabile.
Sistema TN
•
Il sistema elettrico TN ha il neutro messo direttamente a terra e le masse
dell’istallazione connesse a quel punto per mezzo del conduttore di
protezione :
•
TN-C : le funzioni di neutro e di protezione sono combinate in uno stesso
conduttore (conduttore PEN, non deve mai essere sezionabile!);
•
TN-S: conduttori di neutro e di protezione separati;
•
TN-C-S : le funzioni di neutro e di protezione sono in parte combinate in
un solo conduttore e in parte separate;
Tensioni sul Neutro in Condizioni Anomale
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In condizioni anomale del circuito, il neutro può assumere una tensione
verso terra pericolosa. Nei sistemi TN questo evento corrisponde a un
danno per le persone, poichè anche le masse assumono tale tensione, pur
non essendo affette da nessun guasto di isolamento.
•
Le tensioni possono aver origine:
- sull’impianto di terra del neutro: per un guasto a terra in AT o in BT (ad
esempio un corto circuito fase-terra).
- sul conduttore di neutro: per un corto circuito fase-neutro oppure per
interruzione accidentale del conduttore di neutro. Tali situazioni possono
essere pericolose solo quando si utilizza il conduttore di neutro come
conduttore di protezione (PEN). I conduttori PEN devono per questo essere
a posa fissa e di sezione tale per cui sia da ritenersi trascurabile la
probabilità di rottura del conduttore. Inoltre è proibito inserire interruttori o
fusibili sul conduttore PEN
Confronto tra sistemi TN e TT
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La sicurezza del sistema TN, nel caso di distribuzione pubblica, è legata
alla garanzia dell’efficienza del neutro e dell’impianto di terra che la
società elettrofornitrice mette a disposizione dell’utente per il collegamento
delle masse.
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Attualmente l’uso del sistema TN, a differenza di molti altri paesi in cui è
adottato per la distribuzione pubblica, in Italia è consentito solo per gli
impianti utilizzatori alimentati da una propria cabina o stazione di
trasformazione (quando la potenza impegnata giustifica una alimentazione
in MT, con installazione di una propria cabina di trsasformazione).
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Per la distribuzione pubblica in BT il sistema TN era ammesso fino al
1965, mentre dal 1965 è utilizzato il sistema TT.
Sistema IT
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Il sistema elettrico IT ha il neutro isolato o a terra tramite un’impedenza,
mentre le masse sono collegate a terra (utilizzato quando in particolare si
vuole garantire la continuità del servizio, come negli ospedali):
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La sua utilizzazione non è generalizzata, a causa dei numerosi
inconvenienti a cui può dar luogo. L’esercizio di impianti IT è soggetta a
numerose prescrizioni normative.
Contatti Indiretti nei Sistemi TT (1)
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Circuito di guasto a terra in un apparecchio alimentato da un sistema TT:
Circuito equivalente di
Thevenin
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La resistenza equivalente di Thevenin è il parallelo di RE con RN e risulta
trascurabile rispetto alle altre resistenze del circuito di guasto.
Contatti Indiretti nei Sistemi TT (2)
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Se si volesse contenere la tensione sulla massa entro il limite di sicurezza
UL dovrebbe essere verificata la condizione:
U0
RE U L
RE RN
RE
UL
UL
Uo U L
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La resistenza di terra del neutro RN è spesso inferiore a 1 ; in un sistema
trifase 230/400 V e per UL = 50 V la resistenza di terra delle masse
dovrebbe essere pertanto inferiore a ~ 0.3 .
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In un sistema TT non è pratico nè conveniente contenere la tensione sulle
masse a valori inferiori al limite UL perchè:
-occorrerebbero resistenze di terra troppo basse, difficili da ottenere;
-la sicurezza dipenderebbe dalle variazioni della resistenza di terra del
neutro, che in un sistema di distribuzione pubblica non sono note
all’utente.
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Si ricorre quindi ai dispositivi di protezione (fusibili, interruttori automatici
o differenziali).
Apparecchiature di Protezione e Manovra
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Con il termine protezioni si intendono tutti quei dispositivi installati allo
scopo di:
- sorvegliare il valore di grandezze elettriche e non elettriche
confrontandone le loro caratteristiche ed eventualmente i loro andamenti
temporali, con valori di riferimento preimpostati;
- fornire adeguate segnalazioni e/o azioni qualora le grandezze
sorvegliate escano dai limiti impostati;
•
intervenire con opportune azioni di interruzione e/o manovra
Tipiche caratteristiche di intervento:
Interruttori Automatici di BT di Max Corrente
•
Questa protezione viene impiegata per proteggere le linee e i carichi
aprendo il circuito quando la corrente supera i valori limite, per i tempi
consentiti , a seguito di un sovracarico temporaneo o per un guasto di corto
circuito.
•
Il comune interruttore magnetotermico ha una caratteristica di intervento
di questo tipo:
Coordinamento dell Protezioni di Max Corrente
•
Negli impianti di BT vengono spesso utilizzate protezioni di massima
corrente in cascata. Le ragioni sono di natura economica e funzionale.
•
Esempio 1: magneto-termico + fusibile
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Esempio 2: Protezioni in cascata
Differenza tra Dispositivi di Protezione
•
La caratteristica di intervento dei dispositivi a massima corrente
corrisponde alle esigenze protettive dei cavi, ma non si adatta affatto alla
protezione contro i contatti indiretti. Nei sistemi TT, usando dispositivi di
massima corrente ben difficilmente si riesce a realizzare una
protezione dai contatti indiretti conforme alla normativa.
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Si dispone di un mezzo protettivo “ad hoc” per la protezione delle persone
dai pericoli dell’elettricità.
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La separazione tra i due compiti di proteggere i cavi e proteggere dai
contatti indiretti rende il sistema protettivo più efficace.
L’interruttore Differenziale
•
L’interruttore differenziale confronta il valore della corrente I1 , entrante
nell’apparecchio utilizzatore, con quella uscente I2. Nel caso di guasto a
massa (B) la differenza (fasoriale!) delle due correnti I1 - I2 , denominata
corrente differenziale I , è diversa da zero. Se il valore eff. di I raggiunge
un determinato valore di soglia (corrente differenziale di intervento),
l’interruttore apre il circuito in un tempo prestabilito.
Grandezze Caratteristiche
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Tensione nominale: valore della tensione per il quale l’interruttore è
designato a funzionare.
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Corrente nominale: è il valore della corrente che l’apparecchiatura è in
grado di condurre ininterrottamente.
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Corrente differenziale nominale d’intervento Idn: è il valore minimo della
corrente differenziale che determina l’apertura dei contatti entro i tempi
specificati dalle norme.
•
Corrente differenziale nominale di non intervento: è il valore massimo
della corrente differenziale che certamente non provoca l’apertura dei
contatti dell’interruttore.
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Tempo di intervento: intervallo di tempo che intercorre tra l’istante in cui la
corrente differenziale assume un valore superiore a Idn e l’istante in cui
avviene l’apertura dei contatti.
Caratteristica d’Intervento
Scelta dell’Interruttore Differenziale
•
La scelta dell’interruttore differenziale avviene in base alla corrente
differenziale nominale di intervento Idn e la corrente differenziale nominale
di non intervento, normalmente Idn /2. Nell’intervallo Idn - Idn/2
l’interruttore non ha un comportamento definito: potrebbe intervenire e non
intervenire.
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Le correnti verso terra possono essere eccessive, anche senza un guasto a
terra localizzato, quando:
-
lo stato di conservazione generale dell’impianto è precario o singole utenze
presentano isolamento verso terra insufficiente;
-
la natura degli apparecchi utilizzatori è tale per cui le correnti di
dispersione eccedono i valori usuali;
-
l’impianto elettrico è molto vasto, con un gran numero di apparecchi
utilizzatori.
Selettività Orizzontale
•
A volte conviene istallare, al posto di un solo interruttore differenziale
generale, diversi interruttori differenziali sulle derivazioni principali. In tal
modo si introduce anche una certa selettività nel sistema protettivo
evitando che un guasto a terra in un punto qualsiasi provochi la messa fuori
servizio dell’intero impianto:
Selettività Verticale
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Quando si hanno due o più interruttori differenziali in serie nascono
problemi di selettività verticale. Due interruttori differenziali in serie sono
selettivi se le loro zone di intervento non sono sovrapposte:
Interruttori Differenziali Magnetotermici
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Quando un interruttore differenziale incorpora anche gli sganciatori di
sovracorrente viene denominato interruttore differenziale magnetotermico.
Equipotenzialità nei Sistemi TT
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Se tutte le parti conduttrici simultaneamente accessibili, compreso il
terreno, fossero allo stesso potenziale non vi sarebbe pericolo alcuno per le
persone. Si tende a questa situazione collegando all’impianto di terra non
solo le masse, ma anche le altre masse metalliche. Il conduttore PA è il
conduttore equipotenziale. In questo modo diminuisce la resistenza di terra
e si annulla la tensione di contatto tra la massa M e la massa estranea A.
Contatti Indiretti nei Sistemi TN
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In un sistema TN-S si ha il seguente circuito di guasto:
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Applicando Thevenin ai morsetti ME si ricava (Fig. b):
Eeq
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U0
Zp
Zf Zp
Z eq
Zf Zp
Zf Zp
RN
Poichè Zeq è trascurabile rispetto a RB+REB, il contatto della persona non
altera la tensione preesistente sulla massa (Fig. c).
Sistemi di protezione
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Tale guasto rappresenta un corto circuito: la corrente è limitata dalla sola
impedenza del circuito di guasto. Questo è costituito da una spira, o anello,
con una sua propria impedenza. Non è pensabile contenere la tensione
assunta dalla massa a valori inferiori alla tensione UL senza aprire il
circuito.
•
A tal fine deve essere soddisfatta la curva di sicurezza; occorre cioè
interrompere il circuito in un tempo per cui la tensione sulla massa sia
sopportabile per il corpo umano.
Contatti Indiretti nei Sistemi IT
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In un sistema elettrico isolato da terra, un guasto a terra determina il
passaggio di una corrente prevalentemente capacitiva, di valore modesto,
che mantiene la tensione REId a livelli non pericolosi.
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Il non dover interrompere il circuito al primo guasto a terra è la
caratteristica peculiare, e insieme il maggior vantaggio, dei sistemi IT. Tale
caratteristica è preziosa ad es. negli ospedali.
•
Il sistema IT non presenta alcun vantaggio nei confronti dei contatti diretti,
come viceversa alcuni fermamente credono. La corrente che fluisce
attraverso il corpo umano in caso di contatto diretto, anche se modesta, è
pur sempre molto pericolosa, tanto più quanto più esteso è l’impianto.
Doppio Guasto a Terra nei Sistemi IT
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Se il primo guasto a terra non è eliminato in un tempo ragionevolmente
breve, può verificarsi un secondo guasto a terra su un’altra fase di un altro
circuito. Si stabilisce così una corrente di doppio guasto a terra, alimentata
dalla tensione concatenata, che può determinare l’intervento dei dispositivi
di protezione a massima corrente su entrambi i circuiti.
•
Viene così meno il vantaggio della continuità di esercizio del sistema IT,
anzi si aggrava il disservizio rispetto a un sistema TT o TN dove le
protrezioni selettive aprono il solo circuito di guasto.
Sistema di Controllo
•
E’ necessario prevedere un sistema di controllo continuo dell’isolamento
verso terra, in modo da permettere una rapida individuazione ed
eliminazione del primo guasto a terra.
•
Il dispositivo più semplice è costituito da tre lampade ad incandescenza
inserite tra le fasi e la terra. Il valore dell’intensità luminosa di ogni
lampada dipende dal valore della tensione verso terra della fase da cui è
alimentatae e fornisce una valutazione del livello di isolamento di quella
fase.
•
Nel caso di guasto a terra, una lampada si spegne, mentre le altre due,
alimentate dalla tensione concatenata, divengono più luminose.
Esecuzione dell’Impianto di Terra
•
Per impianto di terra si intende l’insieme dei dispersori, dei conduttori di
terra, dei conduttori di protezione e dei conduttori equipotenziali. La
corretta scelta ed applicazione di ciascun elemento dell’impianto di terra è
condizione indispensabile per rendere affidabile il sistema di protezione.
•
Un errore, un difetto, una dimenticanza nei conduttori di fase si rivelano
tramite una disfunzione dell’impianto, mentre nei circuiti di protezione
possono rimanere latenti e manifestarsi solo tramite un infortunio.
Il Dispersore (1)
•
Il dispersore è un corpo metallico, o un complesso di corpi metallici, posto
in contatto elettrico con il terreno e destinato, o utilizzato, per realizzare il
collegamento elettrico con la terra. Ad esso si chiede in genere una bassa
resistenza di terra e una geometria tale da contenere le tensioni di contatto;
esso deve essere per dimensione e costituzione tale da resistere alla
corrosione del terreno.
•
I dispersori vanno collocati, per quanto possibile, l’uno lontano dall’altro,
poichè due dispersori vicini sono meno efficienti di due dispersori lontani.
Vanno collocati in terreno umido, con bassa resistività. Occorre evitare la
posa dei dispersori vicino agli scarichi di prodotti industriali, chimici,
ecc… La rapida corrosione a cui tali dispersori sono soggetti annulla
completamente il vantaggio derivante dalla minor resistività del terreno.
•
Vengono interrati a 0.5 – 0.8 m di profondità. Eventuali dispersori immersi
in acque di fiumi, laghi, canali, ecc…, è bene che siano posti a non meno
di cinque metri sotto il livello dell’acqua per evitare il formarsi di tensioni
in superficie, pericolose per chi si bagnasse in quelle acque.
Il Dispersore (2)
•
A volte la resistività del terreno è particolarmente elevata e diventa arduo
eseguire un buon impianto di terra. Per diminuire la resistività si asporta il
terreno intorno al dispersore e lo si sostituisce con altro di elevata
conducibilità (argilla, grafite, ecc…). E’ sufficiente rendere conduttore il
terreno nelle immediate vicinanze: la maggior parte della resistenza di terra
è concentrata nei pressi del dispersore.
•
I dispersori possono essere intenzionali o di fatto. I dispersori intenzionali
sono posti nel terreno al solo fine di disperdere corrente; i dispersori di
fatto sono corpi metallici interrati ad altri fini, ma che possono contribuire
a realizzare il collegamento elettrico con la terra (tubazioni metalliche
interrate, armatura metallica dei sistemi di fondazione e del cemento
armato interrato, serbatoi metallici interrati, etc…
Il Dispersore (3)
•
Per l’impianto di terra in bassa tensione il dispersore più idoneo è un anello
che segua il perimetro dell’edificio. Il dispersore può essere posato durante
le opere di scavo delle fondazioni. I picchetti sono meno efficienti per
diminuire la resistenza di terra.
•
La maniersa più idonea per conciliare l’affidabilità dei dispersori
intenzionali con la capacità disperdente dei dispersori di fatto è di costituire
la cosiddetta terra di fondazione: i dispersori intenzionali vengono posati
nel momento più adatto e nella maniera più opportuna, cioè durante le
opere di fondazione della costruzione. I dispersori intenzionali vengono
interconnessi ai dispersori di fatto durante la costruzione dell’edificio. Si
ottiene così un sistema disperdente unico, economico ed efficiente, la cui
affidabilità è stata prevista fin dalla progettazione.
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Il conduttore di terra è il conduttore che collega i dispersori al collettore (o
nodo) principale di terra. Il conduttore di protezione è il conduttore che
collega le masse al collettore. Essi devono sottostare a dei requisiti di
sezioni minime, in accordo alle norme (riscaldamento, corrosione).
Devono essere protetti da eventuali danni meccanici, chimici, ecc…
La Corrosione del Dispersore
•
La corrosione costituisce un grosso problema per l’impianto di terra.
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Il rame, per la sua posizione nella serie voltaica, è tra i conduttori meno
esposti alla corrosione, comportandosi da catodo rispetto alla quasi totalità
degli altri conduttori. Può però provocare la corrosione degli altri elementi
metallici presenti nella zona.
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E’ sconsigliabile abbinare ad es. un dispersore di rame ad un dispersore di
ferro zincato, oppure utilizzare giunzioni rame-alluminio (cavi e picchetti).
