Sicurezza Elettrica
Prima Lezione
Corso di Elettrotecnica II (per ing. Biomedica)
Prof. L. Di Rienzo
Introduzione
•In Italia si verificano mediamente cinque infortuni elettrici
mortali ogni settimana: un primato europeo!
•I luoghi più pericolosi, dal punto di vista elettrico, sono i cantieri
edili e i locali da bagno o per doccia.
•La maggior parte degli infortuni sono causati dagli impianti di
bassa tensione non conformi alla regola dell’arte, ed in misura
minore dai componenti elettrici e dall’errore umano.
•Molti infortuni avvengono per contatto con le linee elettriche
aeree esterne, di media tensione; i mezzi di contatto più frequenti
sono le gru, le autogru, le autobetoniere, le aste metalliche, le
canne da pesca.
•Almeno il 10% di tutti gli incendi hanno origine dall’impianto
elettrico o dagli apparecchi elettrici utilizzatori.
La Normativa (1)
•Il Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) è una associazione senza fine di lucro
che ha tra l’altro lo scopo di “stabilire i requisiti che devono avere i materiali, le
macchine, le apparecchiature e gli impianti elettrici perchè essi rispondano alle
regole della buona elettrotecnica, e i criteri con i quali detti requisiti debbono
essere controllati”. I fondatori sono: CNR, AEI, ENEL, ANIE (Associazione
Nazionale Industrie Elettrotecniche ed Elettroniche).
•Esiste anche la IEC (International Electrotechnical Commission), che raccoglie
tutti i paesi industrializzati del mondo. Il CEI partecipa attivamente ai lavori
normativi internazionali; le norme nazionali sono allineate e continuamente
aggiornate con gli sviluppi normativi internazionali.
•Esistono due segni grafici corrispondenti a due diversi accertamenti della
conformità del produttore alle norme CEI: il contrassegno CEI e il marchio
IMQ.
La Normativa (2)
•
Il contrassegno CEI viene applicato dal costruttore ai prodotti che, secondo
il suo parere, corrispondono alle norme CEI. Si tratta quindi di una
autocertificazione di rispondenza alle norme, che ricade sotto la completa
responsabilità del costruttore.
•
Su alcuni prodotti di grande serie, soprattutto ad uso domestico, il
costruttore può richiedere la concessione del marchio IMQ (Istituto del
Marchio di Qualità). Il marchio IMQ fornisce più garanzie all’utente che
non il contrassegno CEI.
•
La legge 186/1968 sancisce che:
Art. 1 “Tutti i materiali, le apparecchiature, i macchinari, le istallazioni e gli
impianti elettrici ed elettronici devono essere realizzati e costruiti a regola
d’arte”;
Art. 2 “I materiali, le apparecchiature, i macchinari, le istallazioni e gli impianti
elettrici ed elettronici realizzati secondo le norme del CEI si considerano
costruiti a regola d’arte” (dunque condizione sufficiente ma non
necessaria!).
La Normativa (3)
•Questo criterio è finalizzato a non impedire l’innovazione. Ovvero, un
apparecchio innovativo può non ancora essere oggetto di una norma, ma
funzionare meglio di quelli esistenti.
•Dunque le norme CEI non sono norme di legge.
•A livello europeo esiste il CENELEC (Comitato Europeo per la
Normalizzazione Elettrotecnica).
•La legge 46/1990 si applica, oltre che a vari impianti tecnologici, agli impianti
elettrici posti all’interno degli edifici, a partire dal punto di consegna
dell’energia fornita dall’ente distributore, per gli immobili adibiti ad uso civile,
ad attività produttive, al commercio, al terziario e ad altri usi e quindi,
praticamente, per tutti gli impianti di proprietà dell’utente.
Effetti della Corrente Elettrica sul Corpo Umano
•
Fin dagli esperimenti di Luigi Galvani (1790) è noto che l’attività biologica
si accompagna ad una attività elettrica. Quindi è facile intuire come
correnti elettriche esterne, sommandosi alle piccole correnti fisiologiche
interne, possano alterare le funzioni vitali dell’organismo, fino a provocare
effetti letali.
•
Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo umano può determinare
numerose alterazioni e lesioni, temporanee o permanenti. La corrente
elettrica produce un’azione diretta sui vasi sanguigni, sul sangue, sulle
cellule nervose; può determinare alterazioni permanenti nel sistema
cardiaco (aritmie, lesioni al miocardio, alterazioni permanenti di
conduzione),
nell’attività
celebrale
(modificazione
dell’elettroencefalogramma) e nel sistema nervoso centrale.
•
Gli effetti più frequenti e più importanti che la corrente produce sul corpo
umano sono fondamentalmente quattro:
1. TETANIZZAZIONE
2. ARRESTO DELLA RESPIRAZIONE
3. FIBRILLAZIONE VENTRICOLARE
4. USTIONI
Tetanizzazione
•Se uno stimolo elettrico è applicato ad una muscolo, esso si contrae, per poi
ritornare allo stato di riposo. Se al primo stimolo ne segue un secondo, prima
che il muscolo sia tornato allo stato di riposo, i due effetti possono sommarsi.
Più stimoli opportunamente intervallati contraggono ripetutamente il muscolo
in modo progressivo (contrazione tetanica).
•La “tetanizzazione dei muscoli” è la contrazione involontaria dei muscoli
interessati al passaggio della corrente.
•E’ per questo motivo che l’infortunato, se attraversato da corrente alternata,
può rimanere appiccicato alla parte in tensione; il contatto perdura nel tempo e
può produrre svenimenti, asfissia, collasso, stato di incoscienza.
•Il più elevato valore di corrente per cui il soggetto è ancora capace di lasciare
la presa della parte in tensione con la quale è in contatto è la corrente di
rilascio:
Donne: 10 mA (50Hz); Uomini: 15 mA (50 Hz)
•Anche la corrente continua, se elevata, può produrre tetanizzazione, anche se
in generale è meno pericolosa di quella alternata.
Arresto della Respirazione
•Correnti superiori ai limiti sopra indicati per la corrente di rilascio producono
nell’infortunato difficoltà di respirazione e segni di asfissia: il passaggio della
corrente determina una contrazione dei muscoli addetti alla respirazione e una
paralisi dei centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria; se la
corrente perdura, l’infortunato perde conoscenza e può morire soffocato.
•Circa il 6% delle morti per folgorazioni è dovuto ad asfissia. Di qui
l’importanza della respirazione artificiale (bocca a bocca), della tempestività
con la quale è applicata e della durata per cui è praticata. E’ necessario
intervenire al max. entro 3-4 min.
Fibrillazione Ventricolare
•La contrazione del muscolo cardiaco nel suo normale funzionamento è
prodotta da impulsi elettrici provenienti dal nodo senoatriale, che è un
generatore biologico di impulsi elettrici che comandano il cuore.
•All’attività elettrica normale corrisponde il pulsare ordinato e ritmico del
muscolo cardiaco; quando giunge l’azione perturbatrice esterna le fibrille
ricevono segnali elettrici eccessivi ed irregolari, vengono sovrastimolate in
maniera caotica e iniziano a contrarsi in modo disordinato, l’una
indipendentemente dall’altra, sicchè il cuore non riesce a svolgere più la sua
funzione.
•La fibrillazione ventricolare è responsabile di oltre il 90% delle morti per
folgorazione.
•In passato la fibrillazione ventricolare era ritenuta un fenomeno irreversibile,
che prosegue fino alla morte dell’infortunato.
•E’ stato dimostrato più di recente che una scarica elettrica violenta
opportunamente dosata può arrestare la fibrillazione stessa (apparecchio
defibrillatore). Essa deve essere però applicata in breve tempo.
Ustioni
•Il passaggio di corrente elettrica su una resistenza è accompagnato da sviluppo
di calore per effetto Joule; il corpo umano non fa eccezione a questa regola
generale.
•Le ustioni peggiori si hanno sulla pelle, perchè questa presenta una resistività
maggiore rispetto agli altri tessuti.
•Inoltre la densità di corrente è magiore in corrispondenza dei punti di entrata e
di uscita della corrente.
Limiti di Pericolosità della Corrente Alternata
•Zona 1: nessuna reazione (al di sotto della soglia di percezione)
•Zona 2: limite di pericolosità convenzionale
•Zona 3: effetti fisiopatologici reversibili e tetanizzazione
•Zona 4: probabilità di fibrillazione ventricolare (c1:5%, c2:50%, c3:>50%)
Nel caso della corrente continua si ha un diagramma simile anche se con livelli
superiori
Correnti ad Alta Frequenza
•La pericolosità della corrente diminuisce con l’aumentare della frequenza. In
una corrente ad alta frequenza la durata dello stimolo è talmente breve che la
corrente non influisce sulle cellule.
•La tendenza della corrente ad alta frequenza a passare nello strato superficiale
del corpo (effetto pelle) non influisce praticamente sullo stato della cellula.
•La corrente ad alta frequenza produce comunque effetti termici che possono
divenire pericolosi.
•Il fattore per cui bisogna moltiplicare la soglia di 50/60 Hz, cioè il minimo
valore di corrente che produce un determinato fenomeno per ottenere la soglia
corrispondente a una frequenza superiore, prende il nome di fattore di
frequenza.
Resistenza Elettrica del Corpo Umano (1)
•Spesso ci si riferisce più alle tensioni pericolose che alle correnti pericolose.
Ovviamente le due grandezze sono legate, tra loro tramite la legge di Ohm,
alla resistenza elettrica del corpo umano:
Z B I B UT
(Tensione di contatto)
•In verità il corpo umano corrisponde, in termini
circuitali, ad una impedenza capacitiva. La capacità Cp
risiede principalmente nella pelle, che si interpone come
isolante elettrico e il tessuto conduttore sottostante. Il
carattere capacitivo dell’impedenza ZB risulta evidente
solo sopra i 1000 Hz.
•Ai 50 Hz l’impedenza è solo resistiva. E’ una grandezza
estremamente variabile con le condizioni ambientali.
Circuito equivalente
del corpo umano
Resistenza Elettrica del Corpo Umano (2)
• I parametri elettrici del corpo umano hanno una grossa variabilità tra gli
individui e a seconda della situazione. Per esempio l’umidità diminuisce la
resistenza della pelle. Il valore di Rb dipende dalla superficie di contatto, dalla
pressione di contatto, dalla durata e dalla tensione del contatto.
•Importanza del percorso:
Il Terreno come Conduttore Elettrico
•
La corrente che fluisce attraverso il corpo umano si chiude in genere
tramite il terreno, salvo il caso particolare di una persona isolata da terra e
in contatto simultaneo con due punti del circuito elettrico a diverso
potenziale.
•
Il terreno svolge la funzione di conduttore elettrico tutte le volte che tra due
suoi punti viene applicata, tramite degli elettrodi, una differenza di
potenziale. Gli elettrodi, immersi nel terreno, prendono il nome di
dispersori.
•
Si consideri un dispersore emisferico, sufficiente distante dall’elettrodo di
ritorno per considerare il campo di corrente radiale. Ogni strato emisferico
di terreno elementare di raggio r e di spessore dr, presenta al passaggio di
corrente la resistenza:
dR
dr
2r 2
dr
1
r0 2r 2
2r0
RE
Resistività del Terreno
I fattori che più influiscono sono:
•
Tipo di mezzo disperdente: valori elevati si hanno per terreni rocciosi
•
Contenuto di umidità: al suo aumentare il mezzo diventa più conduttore e
la resistività diminuisce
•
Temperatura del terreno: sopra 0 °C la resistività può essere considerata
abbastanza costante, mentre sotto tale valore, per effetto del congelamento,
aumenta di 4 – 5 volte.
Il Potenziale del Terreno
•
Si consideri un elettrodo emisferico di raggio r0 che disperde la corrente I
in un terreno omogeneo di resistività :
U
•
I
2r
La resistenza di terra è il rapporto tra la tensione assunta
dall’elettrodo e la corrente dispersa e si indica con:
Dispersori in Parallelo
•
Si considerino due elettrodi emisferici d’uguale raggio r0 che disperdano la
corrente I in un terreno omogeneo di resistività . Ciascun elettrodo
disperderà la corrente I/2. Quando d>>r0 i due dispersori possono
considerarsi in parallelo:
Resistenza verso Terra di una Persona
•
In un contatto mano-piedi o mani-piedi la corrente fluisce attraverso il
terreno. In tal caso sono i piedi appoggiati sul terreno a fungere da
dispersori.
•
Si indica con RB la resistenza del corpo umano. In un contatto manopiedi o mani-piedi, le resistenza RB+ REB rappresenta la resistenza
della persona e del terreno fino a un punto all’infinito. REB è la
resistenza verso terra di una persona.
Tensione Totale e Tensione di Contatto
•
Se la carcassa di un apparecchio è collegata a un dispersore di resistenza
RE (carcassa messa a terra) e disperde la corrente di guasto I, essa assume
la tensione UE=REI. La tensione alla quale è soggetto il corpo umano
durante un guasto d’isolamento prende il nome di tensione di contatto UT .
La tensione di contatto è minore, o al limite uguale, alla tensione totale di
terra. La situazione tipica è la seguente:
•
UE è tanto più prossima a UT quanto più è piccola REB rispetto a RB . In sede
normativa la resistenza del corpo è stata assunta pari a 1000 .
La Curva di Sicurezza Tensione-tempo (1)
•
Dunque nella pratica ci si riferisce, più che ai limiti di corrente pericolosa,
ai limiti di tensione pericolosa. Gli uni e gli altri sono legati dalla legge di
Ohm: per il tramite della resistenza RB del corpo umano e della resistenza
della persona verso terra REB .
•
A complicare le cose si aggiunge il fatto che con il tragitto cambia sia il
valore di RB sia la pericolosità della corrente.
•
Per curva di sicurezza tensione-tempo si intende la curva che individua il
tempo per il quale è sopportabile un generico valore di tensione.
•
Per costruire tale curva bisogna partire dalla curva corrente-tempo.
Curve di Sicurezza Tensione-tempo (2)
Tensione di
contatto limite
convenzionale
Pericolosità del Percorso
•
Lo stesso valore di tensione applicato tra punti diversi del corpo
corrisponde a correnti diverse, perchè ad ogni percorso corrisponde un
valore diverso di resistenza del corpo umano.
•
Lo stesso valore di corrente determina probabilità diverse di fibrillazione
secondo il percorso.
•
I tragitti più pericolosi sono nell’ordine:
1.
mani-torace
2.
mano sinistra-torace
3.
mano destra-torace
4.
mani-piedi
5.
mano-mano
Pericolosità della Tensione al Variare della Frequenza
•
La pericolosità della corrente elettrica che fluisce attraverso il corpo umano
diminuisce al variare della frequenza. Allo stesso tempo l’impendenza del
corpo umano diminuisce all’aumentare della frequenza (e varia con la
tensione…).
•
Dunque la tensione? Un valore di tensione sicuro a 50 Hz è sicuro anche a
frequenze superiori?
•
Un’analisi complessiva mostra che all’aumentare della frequenza anche la
tensione, come la corrente, diminuisce la sua pericolosità.
Tipi di Isolamento
•
Isolamento funzionale: isolamento tra le parti attive e tra queste e la
carcassa, senza il quale ne sarebbe impedito il funzionamento.
•
Isolamento principale: isolamento delle parti attive necessario per
assicurare la protezione fondamentale contro la folgorazione.
•
Isolamento supplementare: ulteriore isolamento che si aggiunge al fine di
garantire la sicurezza delle persone in caso di guasto all’isolamento
principale.
•
Doppio isolamento: insieme dell’isolamento principale e dell’isolamento
supplementare.
•
Isolamento rinforzato: unico isolamento al posto del doppio isolamento.
Contatti Diretti e Indiretti
•
Contatti diretti (a): Contatto con una parte dell’impianto normalmente in
tensione, quale un conduttore, un morsetto, l’attacco di una lampada,
divenuti casualmente accessibili.
•
Contatti indiretti (b): Contatto di persone con una massa, ad esempio la
carcassa di un motore, o con una parte conduttrice connessa con la massa,
durante un guasto di isolamento.
Il Contatto Indiretto
•
Il contatto indiretto è più insidioso del contatto diretto. Si può evitare il
contatto diretto con una condotta prudente verso l’impianto elettrico, ma è
impossibile evitare il contatto con le parti ordinariamente non in tensione.
•
La sicurezza nei confronti dei contatti indiretti risiede quindi solo nel
sistema di protezione.
•
Gli infortuni da contatto diretto superano quelli da contatto indiretto nel
rapporto 2/1 in ambiente domestico e 1.3/1 sul lavoro.
•
Il contatto indiretto è pericoloso quanto il diretto; la percentuale di
infortuni elettrici mortali è simile nei due casi.
La Massa
•
E’ una parte conduttrice, facente parte dell’impianto elettrico, che può
essere toccata e che non è in tensione in condizioni ordinarie di
isolamento, ma che può andare in tensione in caso di un cedimento
dell’isolamento principale.
•
Una massa deve essere protetta contro il contatto indiretto.
•
Esempio: carcassa di un apparecchi di illuminazione.
•
Dunque il contatto indiretto è quello nel quale la persona è soggetta ad una
tensione per il tramite di una massa, indipendentemente dal fatto che la
massa sia collegata o isolata da terra.
•
Le parti attive sono invece tutti i conduttori o le parti conduttrici, facenti
parte di componenti elettrici e che possono essere toccate, che non sono in
tensione durante il funzionamento normale, compreso il conduttore di
neutro. Si esclude il conduttore PEN.
Contatti Diretti e Indiretti
Contatto diretto (la canna da
pesca non è una massa!)
Classificazione dei Sistemi Elettrici (1)
•
Per sistema elettrico si intende il complesso delle macchine, delle
apparecchiature, delle sbarre e delle linee aventi una determinata tensione
nominale.
•
La tensione nominale di un sistema è il valore della tensione con il quale il
sistema è denominato ed al quale sono riferite le sue caratteristiche. Per
sistemi trifase si considera come tale la tensione concatenata.
•
In relazione alla tensione si definisce:
Bassissima tensione: U<50 V (AC)
U<120 V (DC)
Bassa tensione: 50 V<U<1000 V (AC) 120 V<U<1500 V (DC)
Media tensione: 1 kV<U<30 kV (AC) 1.5 kV<U<30 kV (DC)
Alta tensione: U> 30 kV
Trasmissione dell’Energia Elettrica
•
La trasmissione della potenza elettrica avviene quasi sempre con un
sistema trifase. A valle dei generatori è posta una cabina di trasformazione,
con trasformatori che elevano il livello di tensione concatenata a 220 kV o
400 kV.
•
A questi livelli di tensione (AT) è effettuata la trasmissione su lunghe
distanze.
•
Dalla rete di trasporto e interconnessione, mediante stazioni di
trasformazione, si dipartono le linee di ditribuzione primaria (AT, 130 kV –
60 kV), che fanno capo ad altre stazioni di trasformazione da cui partono
linee a media tensione (MT, 20 kV).
•
Alcuni utilizzatori sono direttamente alimentati in MT. Altre linee a 20 kV
fanno capo a cabine di trasformazione da cui partono le linee di
utilizzazione (trifase a 4 conduttori) in BT.
•
Utilizzatori BT:
-trifasi, per potenze elevate (> 10 kVA); monofasi, per potenze modeste
Schema della Trasmissione dell’Energia Elettrica
Stazioni primarie di trasformazione
Cabine elettriche
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.
•
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
•
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):
•
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
•
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
•
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.
•
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).
•
Per la distribuzione pubblica in BT il sistema TN era ammesso fino al
1965, mentre dal 1965 è utilizzato il sistema TT.
Sistema IT
•
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):
•
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.
