Elementi di sicurezza
elettrica
PARTE 2
Sistemi di
distribuzione
in bassa tensione
Ing. Massimo Bartoli ([email protected])
1
I sistemi di distribuzione dell'energia elettrica sono definiti dalla Norma CEI
64-8/3 in funzione del modo di collegamento a terra e del loro sistema di
conduttori attivi e dalla Norma CEI 11-1 in funzione della tensione nominale.
Per modo di collegamento a terra si intende la situazione del neutro in
cabina MT/BT e quella delle masse presso l'utenza.
Sistemi di conduttori attivi
Per sistema di conduttori attivi si intende la situazione della linea dal
punto di vista del tipo di corrente convogliata, del numero di conduttori e
delle fasi. La Norma CEI 64-8 considera i seguenti sistemi:
- corrente continua:
a 2 conduttori (positivo-negativo)
a 3 conduttori (positivo-centro-negativo)
corrente alternata:
- monofase a 2 conduttori (fase -neutro o fase-fase)
- monofase a 3 conduttori (come sopra + centro)
- trifase a 3 conduttori (neutro non distribuito)
- trifase a 4 conduttori (3 fasi + neutro)
2
Classificazione dei sistemi di distribuzione:
Per la classificazione del sistema vengono utilizzate due lettere con il
seguente significato:
-prima lettera T significa collegamento diretto a terra del neutro del
trasformatore di cabina (o, in generale, di un punto del sistema di
alimentazione).
-prima lettera I significa neutro del trasformatore di cabina non direttamente
collegato a terra (o, in generale, sistema di alimentazione isolato da terra).
-seconda lettera T significa masse collegate direttamente a terra mediante
un proprio dispersore indipendente da quello della cabina.
- seconda lettera N significa masse collegate al neutro messo a terra.
3
Sistema TT:
Collegamento diretto a terra di un punto del sistema (in genere il centro stella
del trasformatore di cabina) e collegamento delle masse, mediante un
conduttore di protezione, ad un impianto di terra elettricamente indipendente
da quello del sistema. In questa situazione in caso di guasto, la corrente
verso terra che si richiude attraverso il conduttore "terra" è generalmente di
valore poco elevato e dipende essenzialmente dal valore della resistenza di
terra delle masse; poca influenza ha il collegamento a terra del neutro in
cabina
L’apertura è obbligatoria al
primo guasto. L’insieme dei
carichi deve essere dotato
di una protezione
differenziale istantanea,
per forniture uso civile
30mA.
4
Sistema TN:
Collegamento diretto a terra di un punto del sistema e collegamento delle
masse allo stesso punto mediante un conduttore di protezione, vedi Fig.
13. In considerazione del fatto che i conduttori di neutro e di protezione
possono essere uniti o separati si distinguono i seguenti tipi di sistemi
TN:
a) TN-C le funzioni di neutro e di protezione sono svolte da uno stesso
conduttore che viene denominato PEN (distribuzione trifase a 4 fili)
b) TN-S le funzioni di neutro e di protezione sono svolte da conduttori
separati (distribuzione trifase a 5 fili)
c) TN-C-S le funzioni di neutro e di protezione sono, per una certa parte
di circuito, combinate in un unico conduttore e successivamente
separate.
5
Sistema TN:
6
Questo sistema di distribuzione si usa in impianti utilizzatori alimentati
attraverso una cabina MT/BT di proprietà dell'utente (fornitura di energia
elettrica in media tensione).
Le correnti di dispersione delle singole utenze possono interessare la
terra solo in minima parte (essendo la resistenza del PEN molto minore di
quella del terreno).
7
Sistema IT:
Non vi sono collegamenti diretti a terra delle parti attive (neutro isolato o
collegato a terra con impedenza elevata) mentre le masse sono collegate
mediante il conduttore di protezione ad un impianto di terra indipendente.
Con questo sistema in caso di primo guasto a terra le correnti sono di valore
trascurabile; solo con un secondo guasto si possono manifestare correnti di
valore compreso fra pochi ampere ed alcune centinaia di ampere in relazione
alle impedenze in gioco nel momento del guasto.
Il neutro, non essendo collegato a terra, può assumere tensioni anche
elevate in seguito a guasti.
La messa a terra delle masse in questo caso ha lo scopo di limitare la
tensione totale di terra in caso di primo guasto.
L'efficacia di tale azione dipende dal rapporto tra la resistenza di terra locale
e la resistenza d'isolamento.
8
La Norma CEI 64-8 raccomanda in più punti di evitare, per quanto possibile,
di distribuire il neutro.
Deve sempre essere previsto un dispositivo di controllo dell'isolamento atto
ad indicare il manifestarsi di un guasto a terra. Considerate tutte queste
difficoltà, il sistema IT va realizzato solo quando esistono particolari esigenze
di continuità di esercizio e si vuole evitare l'interruzione dell'alimentazione
al primo guasto a terra.
9
Questo regime di neutro viene usato
per garantire la continuità di
esercizio della rete cioè quando
l’apertura al primo guasto
d’isolamento è compromettente per
il buon funzionamento dell’impianto
o per la sicurezza delle persone.
L’utilizzo di questo regime
impone la presenza costante di
personale competente sul luogo
per interventi veloci al momento
del primo guasto d’isolamento,
per garantire la continuità
d’esercizio prima che si verifichi
un eventuale secondo guasto che
provocherebbe il fuori servizio
dell’impianto.
10
Sistemi di distribuzione nel mondo:
Reti distribuzione
pubblica BT
(regime del neutro)
Impianti utilizzatori
alimentati in bassa
tensione
Impianto di terra
specifico
GERMANIA
TN-C
TN-C e TT
si
AUSTRALIA
TN-C
TN-C
si
GIAPPONE
TT
TT
si
REGNO UNITO
TN-C
TN-C o TN-S
no
STATI UNITI
TN-C
TN-C o TN-S
si
IRLANDA
TN
TT
si
ITALIA
TT
TT
si
BELGIO
TT
TT
si
SVIZZERA
TN
TN-C o TN-S
si
FRANCIA
TT
TT
si
CINA
TT
TT
si
SPAGNA
TT
TT
si
PORTOGALLO
TT
TT
si
NORVEGIA
IT
IT
no
NAZIONE
11
Sistemi di distribuzione
in corrente continua
12
Corrente continua - Generalità
Valore efficace di una grandezza sinusoidale
Il parametro che accomuna la corrente alternata alla corrente continua è il
valore efficace.
Il valore efficace di una corrente alternata rappresenta il valore di corrente in
continua che produce i medesimi effetti termici nello stesso tempo; ad
esempio una corrente continua di 100 A produce gli stessi effetti termici di
una corrente alternata sinusoidale di valore massimo 141 A.
Il valore efficace permette quindi di trattare la corrente alternata, dove il
valore istantaneo varia nel tempo, come se fosse di tipo continuo.
13
Forma d’onda periodica a 50Hz
Valore efficace
(valore della corrente continua
equivalente)
14
Forma d’onda periodica a 50Hz
Valore efficace
15
ESEMPIO DISTRIBUZIONE IN CORRENTE CONTINUA
Collegamento Italia Grecia
500MW - 400 kV DC
Le stazioni di conversione sono dotate di ponti a tiristori a 12 impulsi, con sistemi
di
16
filtraggio lato AC e DC (solo in Grecia) e trasformatori da 200 MVA per fase.
Collegamento Italia Grecia
17
Batterie di accumulatori:
nota bene 50Ah= 5A per 10 ore
Un accumulatore è un generatore elettrochimico in grado di trasformare l’energia
chimica in energia elettrica sotto forma di corrente continua.
La struttura di un accumulatore è analoga a quella di una normale pila. La principale
diversità sta nel fatto che in un accumulatore, il processo di scarica/carica è reversibile:
è possibile infatti tramite l’utilizzo di un generatore di corrente continua ripristinare lo
stato degli elettrodi che erano stati alterati durante il processo di scarica, tale
operazione non è realizzabile con una normale pila.
Le principali caratteristiche elettriche di un accumulatore sono:
- tensione nominale:
nominale differenza di potenziale esistente tra le piastre positive e
negative immerse nell’elettrolita.
Solitamente viene riportato il valore di tensione riferita ad ogni singolo elemento
(2V,4V,6V,12V) per poter ottenere il valore di tensione necessario bisogna utilizzare
più elementi in serie in modo tale da raggiungere il livello di tensione desiderato;
- capacità:
capacità quantità di corrente che essa può fornire per un certo tempo, la capacità è
espressa in Amperora (Ah) e si ottiene moltiplicando il valore della intensità della
corrente di scarica (Ampere) per il tempo di durata della scarica (ore);
- resistenza interna:
interna valore di resistenza interna della batteria, tale valore è fornito
dal costruttore;
- potenza:
potenza potenza erogabile dall’accumulatore, è data dalla tensione media di scarica
moltiplicata per la corrente ed è espressa in watt (W).
18
Impianti fotovoltaici:
Un impianto fotovoltaico consente di trasformare l’energia associata alla
radiazione solare in energia elettrica di tipo continuo; è costituito da
pannelli di materiale
semiconduttore che sono in grado di generare energia elettrica una volta
esposti ai raggi solari.
Gli impianti fotovoltaici possono essere collegati in parallelo alla rete (grid
connected) o alimentare una singola utenza (impianto in isola o stand
alone).
In quest’ultimo caso è presente una batteria di accumulatori che fornisce
l’alimentazione in caso di mancanza di irradiamento solare.
L’elemento base di un impianto fotovoltaico è la cella fotovoltaica costituita da
materiale semiconduttore (silicio amorfo o monocristallino); tale cella, esposta ai
raggi solari, è in grado di fornire una corrente massima Impp ad una tensione
massima Vmpp a cui corrisponde una potenza massima chiamata Wp. Più celle
fotovoltaiche vengono connesse in serie, ottenendo in tal modo una stringa, per
incrementare il livello di tensione; collegando più stringhe in parallelo si aumenta il
livello di corrente.
Ad esempio se la singola cella è in grado di erogare 5 A 35.5 Vc.c, per
raggiungere un livello di 100 A a 400 Vcc occorre connettere 20 stringhe
in parallelo costituite 12 celle ciascuna (12x35,5=426Vcc).
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Generalmente un impianto fotovoltaico funzionante in isola (stand alone) è
costituito dai seguenti dispositivi:
-campo fotovoltaico: costituito dalle celle fotovoltaiche opportunamente
connesse e utilizzate per la trasformazione di energia solare in energia
elettrica;
- regolatore di carica (optional): è un dispositivo elettronico in grado di
regolare la carica e scarica degli accumulatori;
- batterie di accumulatori (optional): sono in grado di fornire energia elettrica
in mancanza di irradiamento solare;
- Inverter c.c./c.a.: ha il compito di convertire la corrente da continua in
alternata, controllandola e stabilizzandola in frequenza e forma d’onda.
Esempio dati tecnici inverter
20
Esempio moduli MULTICRiSTALLINI
Costo circa 6,0 k€ a kWp
21
Impianti di terra
22
Impianto di terra - Generalità
L’impianto di terra costituisce fondamentalmente un mezzo per disperdere
correnti elettriche nel terreno e per proteggere, unitamente ai dispositivi
d’interruzione automatica del circuito, le persone dal pericolo di
elettrocuzione. Un impianto di terra, a seconda della funzione che deve
assolvere, può distinguersi in:
·
MESSA A TERRA DI PROTEZIONE : è una misura atta a proteggere le
·
MESSA A TERRA DI FUNZIONAMENTO : ha lo scopo di stabilire un
·
MESSA A TERRA PER LAVORI : collega a terra temporaneamente una
persone dai contatti diretti;
collegamento a terra di particolari punti del circuito elettrico per esigenze
di esercizio, come la messa a terra del neutro nei sistemi TT e TN;
sezione di impianto per esigenze di manutenzione.
23
Definizioni:
Si riassumono le definizioni utilizzate più frequentemente:
· Contatto diretto :
Contatto di persone con parti attive
· Contatto indiretto :
Contatto di persone con masse durante
un cedimento dell'isolamento
·
Tensione totale di terra Ut :
è la tensione che si stabilisce
durante il cedimento dell’isolamento tra una
massa ed un punto del terreno sufficientemente
lontano a potenziale zero;
· Tensione di contatto Uc :
è la differenza di potenziale alla
quale può essere soggetto il corpo umano in
contatto con parti simultaneamente accessibili,
escluse le parti attive, durante il cedimento
dell’isolamento;
24
•
Tensione di passo UP – è la differenza di potenziale che può
risultare applicata tra i piedi di una persona a
distanza di un passo (convenzionalmente un metro)
durante il cedimento dell’isolamento;
· Tensione di contatto limite convenzionale UL – massimo
valore di tensione di contatto che è possibile
mantenere per un tempo indefinito in condizioni
ambientali specificate;
· Tensione nominale verso terra di un sistema Un - nei
sistemi trifase con neutro isolato la tensione
nominale, nei sistemi trifase con neutro
direttamente a terra, la tensione stellata
corrispondente alla tensione nominale, nei sistemi
monofase o a corrente continua senza punti di
messa a terra, la tensione nominale
·
Parte attiva - conduttore o parte conduttrice in tensione nel
servizio ordinario, compreso il conduttore di
neutro, ma escluso, per convenzione, il conduttore
25
PEN;
· Massa : parte conduttrice di un componente elettrico che può essere
toccata e che non è in tensione in condizioni ordinarie, ma
che può andare in tensione in condizioni di guasto; una
parte conduttrice che può andare in tensione solo perché è
in contatto con una massa non è da considerarsi una
massa;
· Massa estranea : parte conduttrice non facente parte dell’impianto
elettrico in grado di introdurre un potenziale,
generalmente un potenziale di terra;
· Terra : il terreno come conduttore il cui potenziale elettrico in ogni
punto è convenzionalmente considerato uguale a zero;
· Dispersore :corpo conduttore o gruppo di corpi conduttori in
contatto elettrico con il terreno e che realizza un
collegamento elettrico con la terra;
· Resistenza di terra RT :
resistenza esistente tra un collettore (o
nodo) di terra e la terra;
26
· Conduttore di protezione PE - conduttore prescritto per
alcune misure di protezione contro i contatti indiretti per il
collegamento di alcune delle seguenti parti: masse, masse
estranee, collettore (o nodo) principale di terra, dispersore,
punto di terra della sorgente o neutro artificiale;
·
Conduttore PEN - Conduttore che svolge contemporaneamente
·
Conduttore di terra CT - Conduttore di protezione che collega
·
Collettore (o nodo) principale di terra : elemento che
funzioni sia di protezione sia di neutro;
il collettore (o nodo) principale di terra al dispersore o i
dispersori tra loro;
raccoglie, collegandoli tra loro, il dispersore, i conduttori di
protezione, compresi i conduttori equipotenziali e di terra;
27
·
Collegamento equipotenziale EQP - (collegamento
·
Conduttore equipotenziale - conduttore di protezione che
·
Impianto di terra - insieme dei dispersori, dei conduttori di terra,
equipotenziale principale), EQS (collegamento
equipotenziale secondario), conduttore che mette le diverse
masse e masse estranee allo stesso potenziale;
assicura il collegamento equipotenziale;
dei collettori (o nodi) di terra e dei conduttori
equipotenziali, destinato a realizzare la messa a terra di
protezione e/o di funzionamento.
28
Struttura di un impianto di terra:
Gli impianti di terra, indipendentemente dal modo e dal luogo di
installazione presentano numerose caratteristiche comuni. In figura è
rappresentata una tipica struttura di impianto di terra per un edificio.
Elementi di un impianto di terra
M: massa elettrica;
ME: Massa estranea;
MT: Collettore di terra;
PE: conduttore di protezione;
CT: conduttore di terra;
DN: dispersore naturale;
DA: dispersore artificiale;
EQP: collegamenti
equipotenziali principali;
EQS: collegamenti
equipotenziali secondari.
29
Esempio impianto di terra condominiale:
30
Dispersore:
ll dispersore è un corpo metallico o l’insieme di corpi metallici in contatto
elettrico col terreno utilizzati intenzionalmente o di fatto per disperdere
correnti elettriche.
Il dispersore intenzionale e’ installato unicamente con lo scopo di
mettere a terra gli impianti elettrici (picchetti, corde, piastre, piattine ecc..)
Il dispersore di fatto è un corpo metallico in contatto col terreno o
tramite calcestruzzo, che viene normalmente utilizzato per scopi diversi
dalla messa a terra degli impianti elettrici (gli elementi metallici degli
edifici, le tubazioni metalliche di acqua ed altri fluidi, le armature
metalliche dei cavi a contatto col terreno ecc..).
31
Dispersore intenzionale:
I dispersori intenzionali possono essere del tipo a picchetto, a corda, a piastra ecc.
I requisiti fondamentali che devono possedere sono:
• robustezza meccanica sufficiente per resistere alle sollecitazioni dovute alle
operazioni di installazione e all’assestamento del terreno;
• resistenza (comprese le giunzioni e i
morsetti) all’aggressione chimica del
terreno
• buona continuità elettrica fra i vari
elementi;
• non devono essere causa di corrosione
per le altre strutture interrate alle quali
sono collegati metallicamente.
I dispersori a picchetto possono essere di forma cilindrica oppure realizzati con
profilati di acciaio zincato a caldo. Con i dispersori cilindrici, essendo costituiti da
una serie di tubi o tondini suddivisi in tratti di circa 1,5 m raccordabili per mezzo di
filettature, è possibile ottenere con discreta facilità profondità di infissione
notevoli. Quando la profondità di posa non è elevata si possono utilizzare i profilati
d’acciaio zincato a caldo.
a) profilo a croce
b) profilo tondo
c) piastra
32
La resistenza di un dispersore di terra a picchetto varia in funzione
della lunghezza e della resistivita’ del terreno
33
Resistenze tipiche di dispersori :
34
Dispersore in parallelo:
Si considerano
•2 elettrodi emisferici di uguale raggio r0
• corrente dispersa I
• terreno omogeneo di resistività ρ
•Ciascun elettrodo disperderà la corrente I/2
I ρ
I
ρ
U= ⋅
+ ⋅
2 2πr0 2 2π ( d − r0 )
e quindi
ρ
1
RT =
4πr0 1 − r0
d
e gli elettrodi assumono lo stesso potenziale
ρ
2 π r0
ρ
2 π r0
ρ
4 π ( d − r0 )
35
Se d >> r0
i due dispersori possono considerarsi
ρ
RT ≅
4πr0
in parallelo e la resistenza totale vale
Due elettrodi possono essere considerati in parallelo quando è zero il
potenziale prodotto dall’uno sull’altro (in teora all’infinito).
RTOT
R PICCHETTO
=
N ° PICCHETTI
REGOLA PRATICA
Dispersori a picchetto identici danno una resistenza pari a
SE LA DISTANZA E’ > 2,5 volte la lunghezza del picchetto
36
Dispersori intenzionali ad anello/maglia
Un altro tipico dispersore è il dispersore ad anello ottenuto collegando ad
anello conduttori nudi (nastri o corde) posati direttamente nel terreno ad
una profondità di almeno 0,5 m. Dal dispersore ad anello deriva anche il
dispersore a maglia ottenuto collegando corde di rame o di acciaio zincato
interrate ad almeno 50 cm eventualmente integrato con picchetti lungo i
bordi per ridurre il gradiente di potenziale .
Convenzionalmente si considera lo
strato del terreno che puo’
cristallizzare e quindi aumentare la
propria resistenza lo strato posto fino
a quota -40cm rispetto al piano di
calpestio.
Posare l’impianto di terra sempre a
quota -50cm o + in profondita’, SEMPRE
NELLA TERRA
NO! NEL CEMENTO CHE DIVENTA
ISOLANTE QUANDO E’ ASCIUTTO
37
Le Norme raccomandano, per gli impianti di I, II e III categoria, quando il
terreno presenta caratteristiche non particolarmente aggressive,
le
dimensioni minime riportate in tabella.
38
Per gli impianti di I categoria queste dimensioni risultano generalmente
sufficienti, non sempre invece lo sono per gli impianti di II e di III categoria.
In questo caso le Norme prescrivono la verifica di ogni elemento utilizzato
come dispersore applicando la formula
dove:
I e la quota parte (in ampere) della corrente di terra che percorre l’elemento
del dispersore;
t è il tempo di eliminazione del guasto in secondi;
K è un coefficiente che vale 229 (A/mm2s2) se il materiale è il rame oppure
78 (A/mm2s2) se il materiale è l’acciaio con sovrariscaldamento di tipo
adiabatico con temperatura iniziale di 30 °C e finale non superiore a 400°C.
39
Dispersore di fatto:
Le caratteristiche del dispersore di terra possono essere migliorate
utilizzando, oltre i dispersori intenzionali, anche i dispersori di fatto. Tutti i
corpi metallici in intimo contatto col terreno o tramite calcestruzzo
possono essere collegati all’impianto di terra. Uno dei dispersori di fatto
più comuni sono i ferri di armatura del cemento armato che, per effetto
dell’umidità contenuta nel calcestruzzo, possono considerarsi, una volta
collegati all’impianto di terra, dispersori a tutti gli effetti. Per consentire il
collegamento con le varie parti del dispersore devono essere previsti, in
fase di realizzazione, dei conduttori di adeguata lunghezza collegati con le
armature e dei conduttori posati lungo il perimetro dell’edificio per
interconnettere elettricamente tra loro i ferri dei plinti. I ferri del cemento
armato devono essere, per garantire la continuità, collegati tra di loro per
mezzo di saldature, morsetti o legature effettuate a regola d’arte.
40
Le caratteristiche del dispersore di terra possono essere migliorate
utilizzando, oltre i dispersori intenzionali, anche i dispersori di fatto. Tutti i
corpi metallici in intimo contatto col terreno o tramite calcestruzzo possono
essere collegati all’impianto di terra adottando però alcuni accorgimenti atti
ad evitare fenomeni di corrosione. Per limitare tali fenomeni è bene
impiegare, negli accoppiamenti, metalli omogenei, possibilmente vicini nella
scala di nobiltà. Soprattutto nelle giunzioni senza saldatura è necessario
limitare le coppie elettrolitiche utilizzando morsetti e conduttori dello stesso
metallo e proteggere le giunzioni dall’umidità rivestendole con nastri
vulcanizzanti. Nella tabella è riportata la scala dei potenziali elettrochimici
di alcuni metalli riferita all’elettrodo idrogeno.
41
Fenomeni di corrosione:
Due sono i meccanismi fondamentali secondo i quali si esplica la corrosione
dei metalli:
• corrosione chimica
• corrosione elettrochimica.
Corrosione chimica
La corrosione chimica consiste in una reazione tra un metallo e un liquido o
tra un metallo e un gas, come ad esempio il ferro che reagisce a certe
temperature con l’ossigeno presente nell’atmosfera producendo i suoi
ossidi (RUGGINE) .
In questo caso il metallo cede elettroni all’ossigeno con formazione di ioni
metallo carichi positivamente e ioni ossigeno carichi negativamente che si
legano determinando la formazione di uno strato, più o meno aderente alla
superficie, di prodotti della corrosione. Il processo non è generalmente
accompagnato da passaggio di corrente elettrica
42
Corrosione elettrochimica:
La corrosione elettrochimica può avvenire, quando i metalli sono immersi in
un elettrolita, a temperatura prossima a quella ordinaria attraverso due
reazioni principali, una all’anodo ed una al catodo: le reazioni anodiche
sono reazioni di ossidazione che tendono a distruggere il metallo
dell’anodo che si discioglie sottoforma di ioni oppure ritorna allo stato
combinato di ossido; le reazioni catodiche sono invece sempre reazioni di
riduzione di alcuni ioni con corrispondente consumo degli elettroni
prodotti dalla reazione anodica e transitati attraverso il metallo.
le
reazioni
anodiche
sono
reazioni di ossidazione che
tendono a distruggere il metallo
dell’anodo che si discioglie
sottoforma di ioni oppure ritorna
allo stato combinato di ossido;
le reazioni catodiche sono invece
sempre reazioni di riduzione di
alcuni ioni con corrispondente
consumo degli elettroni prodotti
dalla reazione anodica e transitati
43
attraverso il metallo.
Il processo corrosivo di metalli interrati in terreno elettrolitico può
sostanzialmente avvenire per i seguenti motivi:
1)
metalli diversi a contatto fra loro;
2)
metalli diversi collegati elettricamente fra loro;
3)
metalli diversi in presenza di correnti continue;
4)
metallo ricoperto da strati di terreno non omogeneo diversamente
permeabili ai gas.
Corrosione di contatto :
Due metalli diversi in contatto fra di loro Î Corrosione di contatto.
In presenza di un suolo elettrolitico (conduttivo), se i due metalli hanno
potenziali diversi si crea fra di loro una differenza di potenziale (coppia
galvanica).
Ad esempio un collare di rame su tubazione di ferro determina la
corrosione del tubo di ferro
44
In presenza di un ossidante, ad esempio
ossigeno contenuto in terreno umido,
questo verrà ridotto, anche sulla superficie
del metallo a potenziale maggiore, sempre
a spese degli elettroni del metallo a
potenziale minore. Quanto più è negativo il
potenziale del metallo, tanto più facile
risulta la sua ossidazione.
Il rame non si ossida e non si riduce, in
questo caso l’ossidante è solamente
l’ossigeno. Si ha circolazione di corrente tra
anodo e catodo e una corrosione in
prossimità della giunzione tra collare e
tubo.
Nel fenomeno corrosivo riveste un ruolo di notevole importanza anche il
rapporto tra le aree delle superfici metalliche degli elettrodi in contatto con
l’elettrolita. La corrosione anodica risulterà tanto più veloce e pericolosa
quanto maggiore è la superficie del catodo rispetto a quella dell’anodo
45
Materiali e accorgimenti per limitare i rischi di corrosione
Si deve evitare, quando possibile, l’unione di materiali dissimili per evitare
che si generino coppie galvaniche con conseguente circolazione di corrente.
Nel caso di accoppiamento si rame e ferro, devono essere impiegati morsetti
con potenziale elettrochimico intermedio.
Inoltre possono essere realizzate delle barriere fisiche, mediante
nastrature con materiali auto-vulcanizzanti, resine o catrame, tali da
rendere la giunzione impermeabile all’acqua e all’aria
46
L’acciaio utilizzato per i ferri d’armatura immerso nel calcestruzzo si
nobilita assumendo caratteristiche che raggiungono valori di potenziale
simili a quelli del rame che nel calcestruzzo mantiene invece inalterate le
sue caratteristiche risultando per questo compatibile con l’acciaio.
Nel collegamento dei ferri d’armatura con corde di ferro zincato si forma
una coppia galvanica nella quale il ferro funge da catodo e lo zinco della
corda da anodo. Si può evitare la corrosione della corda zincata
proteggendo la superficie della giunzione con catrame o nastrando con
cura la corda fino al collegamento col dispersore
47
Materiali e accorgimenti per limitare i rischi di corrosione :
Una giunzione molto comune negli impianti di terra è quella fra acciaio
zincato e rame. Per evitare la corrosione fra zinco e rame si può utilizzare
per la giunzione un metallo con potenziale elettrochimico intermedio
come il bronzo o l’ottone oppure utilizzare capocorda stagnati o cadmiati.
48
RIEPILOGO SUI DISPERSORI DI FATTO
49
Conduttore di terra PE :
IL conduttore di protezione (è identificato dal colore giallo/verde e viene
chiamato PE oppure, se svolge contemporaneamente anche la funzione di
neutro, PEN) si realizza il collegamento delle masse con l’impianto di
terra. Unitamente all’interruttore automatico garantisce la protezione dai
contatti indiretti e deve essere dimensionato, come pure il conduttore di
terra ed equipotenziale, sia per sopportare le sollecitazioni termiche
dovute alla corrente di guasto verso terra sia per sopportare eventuali
sollecitazioni meccaniche. Il dimensionamento può essere effettuato, con
un metodo semplificato, in funzione della sezione del conduttore di fase
o in modo adiabatico (il calore prodotto e accumulato tutto dal cavo),
metodo che conduce a sezioni notevolmente inferiori rispetto a quelle
ottenute col metodo semplificato.
50
Metodo semplificato calcolo del PE :
Quando il conduttore non fa parte della conduttura di alimentazione non
deve, in ogni caso, essere inferiore a 2,5 mm2 se è prevista una protezione
meccanica del conduttore stesso (tubo di protezione) 4 mm2 se non è
prevista una protezione meccanica.
51
52
Conduttore di terra per apparati elettronici :
Una particolare nota va dedicata alle apparecchiature elettroniche con correnti di
dispersione superiore a 10 mA (Apparecchiature con elevata Corrente di Dispersione
rif. Norma CEI 74-2)
oApparecchiature di tipo A: predisposte con spina di tipo domestico e similare.
Hanno corrente di dispersione a terra non superiore a 3.5 mA
oApparecchiature di tipo B: predisposte con spina di tipo industriale o collegate
direttamente alla rete.
Possono avere corrente di dispersione a terra superiore a 3.5 mA. Nel caso in cui gli
apparecchi superassero tale valore, in corrispondenza dell’alimentazione devono
avere un etichetta del tipo:
53
Un’apparecchiatura ad elevata corrente di dispersione è pericolosa perché, se si
interrompe il conduttore di protezione, la corrente di dispersione fluisce attraverso
l’operatore.
devono essere collegate a terra
secondo una delle seguenti
configurazioni:
54
Conduttore di terra :
Per il dimensionamento del conduttore di protezione si devono adottare
criteri diversi a seconda che si tratti di bassa o di media tensione.
55
Conduttore di terra sistema TT :
La corrente di guasto attraversa il conduttore di terra la cui sezione minima deve
essere, sempre rispettando le sezioni minime prescritte, almeno uguale al maggiore
conduttore di protezione dell’impianto oppure verificata con la relazione:
Se ad esempio cautelativamente supponiamo di avere una resistenza dell’impianto
di terra particolarmente bassa, ad esempio RT=0,1 ohm, si avrà:
Se il tempo di intervento delle protezioni fosse di 0,6 secondi (gli automatici hanno
tempi t< 0,1 sec) e il conduttore di protezione fosse un conduttore unipolare in PVC si
avrà:
2
2300 x 0,6
2
ST =
=
13
mm
1432
Normalmente l’impianto di terra presenta valori di resistenza superiori a
quelli ipotizzati e i tempi di intervento delle protezioni sono generalmente
più bassi per cui, ad esempio, un conduttore avente sezione di 16 mm2 è
quasi sempre sufficiente per un sistema TT.
56
·
Bassa tensione
La corrente di guasto in bassa tensione può raggiungere anche valori di
alcune decine di kA ma normalmente interessa solo il conduttore di
protezione.
A titolo puramente indicativo si riporta la corrente di corto circuito di
trasformatori MT/BT
Trasformatore da 250KVA (Vcc 6%) Icc ~ 6 kA
Trasformatore da 630KVA (Vcc 6%) Icc ~ 15 kA
Trasformatore da 1000KVA (Vcc 6%) Icc ~ 24 kA
In quest’ultimo caso dimensioniamo il PE assumendo un tempo intervento
t=0,1 sec ed un PE tipo cordicella N07V-K. Si ha quindi
240002 x 0,1
2
S PE =
=
53
mm
1432
(trascurando l’impedenza omopolare)
in questo caso si sceglie una sezione per il PE di 70 mm2
Nel caso di trafo da 2MVA si ottiene un PE da 120mmq
57
Conduttori EQUIPOTENZIALI:
Non essendo conduttori attivi e non dovendo sopportare gravose correnti di
guasto il loro dimensionamento non segue regole legate alla portata ma alla
resistenza meccanica del collegamento. Le Norme prescrivono le sezioni
minime che devono essere rispettata per questi conduttori distinguendo tra
conduttori equipotenziali principali (EQP) e supplementari (EQS). Sono detti
principali se collegano le masse estranee al nodo o collettore principale di
terra, sono detti supplementari negli altri casi. Le sezioni minime prescritte
sono le seguenti
58
Criteri di
protezione dei
circuiti
59
Nel campo degli impianti elettrici, le protezioni rivestono una notevole
importanza, in quanto un impianto carente sotto questo profilo può causare
notevoli danni a persone e cose.
I problemi di protezione si possono suddividere in tre categorie:
o
o
o
Protezione dall’impianto da guasti da imputare all’impianto stesso;
Protezione generale rispetto all’ambiente dove l’impianto è istallato;
Protezione dai contatti elettrici.
Le linee in cavo e quelle in condotti vengono progettate in modo che, con la
corrente d normale funzionamento, non si possono verificare temperature
pericolose per l’isolante, soprattutto nel caso dei cavi.
Tuttavia risulta sempre possibile che la corrente assuma valori in grado di
provocare un riscaldamento dannoso per il cavo e per l’ambiente circostante.
Tale evento si può verificare per due fenomeni, che sono rispettivamente:
9
9
il corto circuito
il sovraccarico
60
Il sovraccarico è il fenomeno che
si realizza quando la corrente
assorbita in un impianto è
superiore a quella sopportabile dal
cavo nel quale transita.
Questo fenomeno deve essere
interrotto in tempi brevi per evitare
il rapido deterioramento
dell’isolante del cavo.
Il cortocircuito si verifica quando
due o più fasi (o neutro/ terra)
vengono incidentalmente in
contatto tra loro. In questo caso le
correnti in gioco possono
assumere valori estremamente
elevati e devono essere interrotte
in tempi brevissimi.
Entrambi questi fenomeni comportano, con tempi ed intensità diverse, il
passaggio nel cavo di una quantità di corrente superiore alla portata
massima dello stesso.
I corto circuiti avvengono in circuiti in cui si sia verificato un guasto; la
protezione da questo fenomeno deve essere applicata a tutti i tipi di linee,
ad eccezione:
o Le linee che collegano sorgenti di energia
o Le linee la cui interruzione improvvisa può dare luogo a pericoli
o Alcuni circuiti di misura
61
La corrente di sovraccarico, al contrario, è una sovracorrente che si
stabilisce in un circuito elettricamente sano.
Contro il sovraccarico devono essere protette particolarmente le seguenti
linee:
o
o
o
Le linee che alimentano derivazioni o carichi per i quali
si è assunto un coefficiente di contemporaneità
inferiore ad 1
Alimentazione motori
Alimentazione prese a spina
La protezione da sovraccarico si può omettere in alcuni casi particolari:
o
o
Linee di sicurezza – es. pompe antincendio
Linee che alimentano apparecchi illuminanti a scarica, quando si è
sicuri che non vengano aggiunte altre apparecchiature, oppure, che
non venga aumentata la potenza di quelli previsti in sede di progetto
62
Dispositivi di manovra e protezione:
Classificazione delle apparecchiature:
1. In base alla funzione
2. In base alla modalità di manovra
3. Classificazione in base al sistema elettrico
4. Classificazione in base all’ambiente d’installazione
Le modalità di azionamento degli apparecchi per ottenere il movimento dei
contatti (distacco o contatto) classificate secondo la Norma CEI 17-5 sono le
seguenti:
Manovra manuale dipendente - manovra ad accumulo di energia che trae
origine dal lavoro manuale, accumulato e liberato in una sola operazione, in
modo che la velocità e la forza della manovra risultino indipendenti
dall’azione dell’operatore
Manovra dipendente mediante sorgente esterna - l’energia per la
manovra è ottenuta con dispositivi come solenoidi, motori elettrici,
pneumatici ecc.
Manovra ad accumulo d’energia - l’energia necessaria alla manovra
63
viene accumulata nel meccanismo stesso prima della manovra
Classificazione in base all’ambiente d’ installazione:
I dispositivi devono essere scelti in base all’ambiente di posa e in relazione al loro
grado di compatibilità con le condizioni ambientali esistenti nel luogo d’installazione
che possono riguardare:
la natura dell’atmosfera e dell’ambiente (temperatura, umidità, presenza di
polveri, di sostanze corrosive, insetti, ecc.)
le sollecitazioni meccaniche
le sollecitazioni termiche
l’irraggiamento
64
Interruttore:
A seconda del tipo di utilizzo gli interruttori sono oggetto di diversi fascicoli
normativi. Di seguito verranno specificate le definizioni indicate dalle
relative Norme di riferimento.
Interruttore (meccanico) di manovra (Norma CEI 17-11, art. 2.1.3) -
"Apparecchio meccanico di manovra destinato a stabilire, portare e
interrompere correnti in condizioni normali di circuito, comprese eventuali
condizioni specificate di sovraccarico in servizio ordinario, così come a
portare per una durata specificata correnti in condizioni anormali di
circuito, come ad esempio quelle di corto circuito”.
Interruttore sezionatore (Norma CEI 17-11, art. 2.1.5 ) – “Interruttore di
manovra che, nella posizione di aperto, soddisfa alle prescrizioni della
distanza di sezionamento specificate per un sezionatore”
Interruttore automatico (meccanico) (Norma CEI 17-15, art. 2.1.4) –
“Apparecchio meccanico di manovra capace di stabilire, portare e
interrompere correnti in condizioni normali del circuito ed inoltre di
stabilire, portare per una durata specificata e interrompere
automaticamente correnti in condizioni anormali specificate del circuito, ad
65
esempio quelle di corto circuito”.
Interruttore automatico di sovracorrente per usi domestici e similari (Norme
CEI 23-3, art. 2.2.1 dell’allegato) - “Apparecchio meccanico d’interruzione
destinato a connettere all’alimentazione un circuito ed a disconnetterlo,
mediante operazione manuale, o ad aprire il circuito automaticamente,
quando la corrente superi un valore predeterminato”.
Interruttore differenziale per uso domestico e similare (Norme CEI 23-18,
art. 2.1.01) – “Dispositivo meccanico destinato a connettere e a
disconnettere un circuito all’alimentazione, mediante operazione manuale, e
ad aprire il circuito automaticamente quando la corrente differenziale
supera un valore predeterminato”.
Interruttore differenziale con sganciatori di sovracorrente per uso
domestico e similare (Norme CEI 23-8, art. 2.3.01) – “Interruttore
differenziale .... con sganciatori di sovracorrente incorporati capaci di
provocare automaticamente l’apertura del circuito principale quando la
corrente superi un valore predeterminato”.
Combinazione di interruttore differenziale e dispositivo di protezione
contro i corto circuiti (Norma CEI 23-18, art. 2.2.01) – “Insieme formato da
un interruttore differenziale senza sganciatori di sovracorrente e da un
dispositivo di protezione contro i corto circuiti (dispositivo associato). Nel
66
seguito si usa per brevità il termine combinazione.....”.
Interruttore differenziale:
“Dispositivo meccanico destinato a connettere e a disconnettere un
circuito all’alimentazione, mediante operazione manuale, e ad aprire
il circuito automaticamente quando la corrente differenziale supera
un valore predeterminato”. Viene altresì precisato che ove fossero
presenti anche sganciatori di sovracorrente, questi devono essere in
grado di “provocare automaticamente l’apertura del circuito
principale quando la corrente superi un valore predeterminato”.
Con il verificarsi di un guasto
verso terra
la somma
vettoriale delle correnti, che in
un circuito in condizioni
normali è nulla, da un risultato
diverso da zero. L’interruttore
differenziale è un dispositivo
sensibile a questa corrente
(corrente
differenziale)
e
interviene,
aprendo
automaticamente il circuito,
quando viene superato un
valore prestabilito.
67
In base al tipo costruttivo i dispositivi differenziali si distinguono in:
- dispositivi il cui funzionamento non dipende da una sorgente ausiliaria
- dispositivi che dipendono da una sorgente ausiliaria
Una ulteriore suddivisione viene effettuata in base alla funzione a cui il
dispositivo differenziale è destinato:
Differenziali magnetotermici: sono costituiti dalla combinazione di uno
sganciatore magnetico, termico e differenziale e sono destinati alla
protezione dalle sovracorrenti e dalle correnti di guasto verso terra
Differenziali puri: sono dotati del solo sganciatore differenziale e quindi
garantiscono solo la protezione verso terra. Devono essere accoppiati a
interruttori magnetotermici o a fusibili per la protezione dalle sollecitazioni
termiche e dinamiche
Differenziali con toroide separato: sono impiegati negli impianti industriali
caratterizzati da forti intensità di corrente. Vengono realizzati con relè,
costituiti da un toroide sul quale è disposto l’avvolgimento di rilevazione
della corrente differenziale, che viene utilizzato per comandare il
meccanismo di sgancio di un interruttore o di un contattore di linea
68
Le prestazioni di questi dispositivi sono definite da alcune grandezze
caratteristiche:
Numero dei poli - 2P, 3P, 4P
Corrente nominale (In) valore di corrente che l’apparecchio è in grado di
portare ininterrottamente
Corrente differenziale nominale d’intervento IDn (Norme CEI EN 610081 e CEI EN 61009-1) minimo valore della corrente differenziale che
determina l’apertura dei contatti entro tempi specificati. I valori normalizzati
sono 0,01-0,03-0,1-0,3-0,5-1A
Corrente differenziale nominale di non intervento IDn0 (Norme CEI EN
61008-1 e CEI EN 61009-1) valore massimo della corrente differenziale che
non provoca l’apertura dei contatti. Il valore normalizzato, anche se sono
ammessi tempi diversi, è IDn0=0,5IDn
69
Tempo d’intervento : intervallo di tempo tra l’istante in cui si raggiunge il
valore di corrente differenziale Idn e l’istante in cui avviene l’apertura dei contatti
Tipo di
dispositivo
Idn
(A)
Altissima
sensibilità
0,005
0,010
0,030
Alta
sensibilità
0,1
0,3
0,5
1
Tempi massimi di intervento in secondi per :
1 Idn
2 Idn
5 Idn
0,25 A
2
0,3
0,3
1
0,15
0,15
----0,04
0,04
0,04
0,04
0,3
0,3
2
2
0,15
0,15
0,2
0,2
0,04
0,04
0,04
0,04
---------
L’interruttore per costruzione puo’ aprire per valori compresi tra
il 50% ed il 100% della corrente nominale
70
Protezione differenziale:
Esistono 4 tipi di livello di protezione differenziale definiti dalla norma di
prodotto CEI EN 61008
S
Classe AC
Classe A
Classe S
Classe B
71
Perché scegliere una protezione in classe B
Classe B
9 Le correnti di dispersione dei carichi
alimentati attraverso dei raddrizzatori
trifasi possono generare una componente
continua (in particolare nello spettro di 1020 kHz)
Perché NON si trova mai una protezione
in classe B ?? – costa 6-8 volte di +
Corrente di dispersione conseguente ad
un guasto fase/terra
Corrente di dispersione conseguente
ad un guasto fase/terre assimilata a
una corrente continua (non passa per
lo zero)
72
Criteri di scelta in presenza di correnti di guasto
con componenti continue secondo il regime di neutro
73
Principio di funzionamento interruttore differenziale in classe B
74
Le applicazioni della protezione differenziale in classe B
Ascensori, scale mobili
Macchine utensili
Cantieri
Apparecchi elettromedicali
75
Selettivita’ dei differenziali
Fra due interruttori differenziali installati in serie interessati cioè dalla stessa
corrente di dispersione, è garantita la selettività verticale solo se il tempo massimo
di intervento del dispositivo a valle è inferiore al tempo minimo di non intervento di
quello posto a monte.
La selettività e’ garantita se il
dispositivo di tipo S ha una corrente
nominale differenziale di almeno tre
volte superiore rispetto a quella del
dispositivo installato a valle
Tipo
Selettivo (S)
Generale
Corrente differenziale
Tempi di
intervento
(s)
IDN
2 IDN
5 IDN
massimo
0,5
0,2
0,04
minimo
0,13
0,06
0,05
massimo
0,3
0,15
0,04
76
Rele’ a toroide separato
Caso cavi schermato
(es cavi MT o con
schermo)
La messa a terra dello
schermo va ripassata
nel toroide altrimenti la
protezione non
interviene poiche’ la
corrente di guasto
passa sullo schermo
77
Sezionatore:
La Norma CEI 17-11, art. 2.1.4 dà del sezionatore la seguente definizione:
‘Apparecchio meccanico di manovra che, per ragioni di sicurezza, assicura, nella
posizione di aperto, una distanza di sezionamento che soddisfa a condizioni
specificate. Un sezionatore è capace di aprire e chiudere un circuito quando la
corrente interrotta o stabilita è di intensità trascurabile, o quando la manovra non
produce alcun cambiamento apprezzabile della tensione ai suoi terminali. Esso è
inoltre capace di portare, nella posizione di chiuso, la corrente corrispondente alle
condizioni normali di circuito e di portare, per una durata specificata, correnti
corrispondenti a condizioni anormali di circuito, come ad esempio quelle di corto
circuito.
78
Interruttore automatico:
Generalità
L’interruttore automatico è un apparecchio meccanico di manovra capace di
stabilire, portare ed interrompere correnti in condizioni normali del circuito ed
inoltre di stabilire, portare per una durata specifica ed interrompere, correnti in
condizioni anormali specificate del circuito, ad esempio quelle di corto circuito.
La parola ‘automatico’ sta ad indicare un apparecchio che interviene
automaticamente quando è attraversato da una corrente superiore alla sua
corrente nominale. Ogni interruttore è fornito di due sganciatori di
sovracorrente di cui uno (relè termico), a tempo inverso, provoca l’apertura con
un ritardo inversamente proporzionale al valore della sovracorrente, mentre
l’altro (relè elettromagnetico), ad intervento istantaneo provoca l’intervento a
partire da un determinato valore di sovracorrente (relativamente elevato) con un
tempo pressoché costante.
79
Classificazione:
In base ai tempi di interruzione della corrente di corto circuito si identificano i
seguenti tipi di interruttori
Selettivi : l’interruzione viene
volutamente ritardata ed avviene dopo
alcuni periodi per permettere la
selettività tra interruttori posti in serie
Limitatore - l’interruzione viene
fortemente anticipata rispetto allo zero
naturale della corrente
Interruttore modulare - sono interruttori
impiegati prevalentemente nel civile e
nel terziario e sono caratterizzati da
dimensioni modulari unificate. Queste
caratteristiche permettono una facile
installazione a scatto su supporti di tipo
normalizzato
Zero-cross- l’interruzione avviene al
primo o al secondo passaggio della
corrente per lo zero naturale
Interruttori aperti o in aria- sono
interruttori caratterizzati da notevoli
dimensioni e vengono impiegati per
usi prevalentemente di tipo
industriale. Possiedono correnti
nominali, correnti di breve durata e
poteri di corto circuito piuttosto
elevati. Vengono impiegati come
interruttori di macchina a valle dei
trasformatori di MT/BT di generatori e
per partenze con elevate correnti di
impiego (>1250 A)
Interruttore scatolato - sono interruttori in cui la
scatola che li contiene, normalmente di materiale
plastico, funge da supporto per le parti meccaniche
e da isolante tra le fasi e verso massa e da
protezione contro i contatti indiretti
80
Protezione contro il sovraccarico:
La corrente nominale dell’interruttore automatico deve essere scelta in
relazione alla portata del cavo; la protezione contro il sovraccarico è in tal
modo assicurata.
I circuiti luce non necessitano della protezione contro il sovraccarico, ma per
una maggiore sicurezza, si è scelto di proteggerli ugualmente e si può
prescindere dalla lunghezza massima della linea protetta contro il cortocircuito. Nei circuiti non protetti contro il sovraccarico, il dispositivo di
protezione contro il corto-circuito potrebbe infatti non proteggere la linea
molto lunga per un corto-circuito in fondo alla linea stessa.
81
82
83
84
85
Protezione contro il cortocircuito:
Gli interruttori automatici scelti per la
protezione
contro
il
sovraccarico
garantiscono anche la protezione contro il
corto-circuito, purchè abbiano idoneo
potere di corto-circuito (corrisponde al
valore efficace della corrente presunta che
l’interruttore è in grado di stabilire, portare
e interrompere a condizioni specificate).
Gli interruttori automatici di bassa
tensione sono suddivisi in due
categorie fondamentali: interruttori in
scatola isolante e interruttori di tipo
aperto. Entrambe queste tipologie di
dispositivi vengono a loro volta
classificate in funzione del tipo di
intervento che può essere istantaneo o
selettivo. A questo scopo le Norme
fanno corrispondere questa
classificazione a due categorie di
utilizzo, rispettivamente A (istantanei)
86
e B (selettivi).
Categorie di utilizzazione:
La Norma CEI 17-5 classifica gli interruttori in due categorie di
utilizzazione.
Categoria A - Con questi apparecchi si può ottenere solo la selettività di
tipo amperometrico perché non dispongono di dispositivi per il ritardo
intenzionale dell’intervento per correnti di corto circuito. Gli interruttori
con corrente nominale inferiore a 500-630 A appartengono a questa
categoria.
Categoria B - Sono interruttori automatici con dispositivo di ritardo
intenzionale. In corto circuito si può ottenere la selettività cronometrica
introducendo tempi di ritardo variabili da 0 a 300 ms. I dispositivi di
ritardo possono essere di tipo elettromeccanico, nei quali si può regolare
solo il tempo di pre-arco, o a microprocessore, in cui si possono ottenere
regolazioni più complesse. Per questi apparecchi deve essere specificata
la corrente nominale di breve durata Ics (Icc che interrompe e non fa
danni)
e
la Icw. (Icc che interrompe ma che puo’ danneggiare l’interruttore)
87
Tipi di sganciatori e curve caratteristiche
La condizione di
protezione dal
sovraccarico di una
conduttura avente
corrente di impiego
IB e portata IZ è
espressa dalle
seguenti relazioni:
IB ≤ IN ≤ IZ
If ≤ 1,45 IZ
88
89
Selettività delle protezioni:
L’articolo 536.1 della Norma CEI 64-8 è dedicato alla selettività tra
dispositivi di protezione contro le sovracorrenti:
“Quando più dispositivi di protezione sono posti in serie e quando le
necessità di esercizio lo giustificano, le loro caratteristiche di
funzionamento devono essere scelte in modo da staccare
dall’alimentazione solo la parte dell’impianto in cui si trova il guasto”.
In definitiva si dovrà fare in modo che in presenza di un guasto intervenga
unicamente il dispositivo di protezione installato immediatamente a monte
del punto guasto. Gli altri dispositivi attraversati dalla corrente di guasto
dovranno rimanere chiusi e consentire al resto dell’impianto sano di
rimanere alimentato.
90
Esempi di calcolo della selettività:
Nella zona del sovraccarico con le protezioni in gioco si realizza generalmente
selettività di tipo tempo-corrente.
Nella zona del cortocircuito con le protezioni in gioco si possono realizzare
diverse tecniche di selettività, in particolare:
¾la selettività amperometrica
¾la selettività cronometrica
¾la selettività energetica
¾la selettività di zona.
91
Coordinamento delle protezioni:
Selettività totale. La selettività è totale se si apre solo l’interruttore B, per
tutti i valori di corrente inferiori o uguali alla massima corrente di
cortocircuito presunta nel punto in cui è installato B.
Selettività parziale. La selettività è parziale se si apre solo l’interruttore B
per valori di corrente di cortocircuito in C inferiori al valore IL, oltre il quale
si ha l’intervento simultaneo di A e B.
92
Calcolo della caduta di tensione:
In un qualsiasi impianto di bassa tensione è necessario valutare la caduta di
tensione tra l'origine dell'installazione e il punto di utilizzazione
dell'energia elettrica.
Un’ eccessiva caduta di tensione influenza negativamente il funzionamento
delle apparecchiature.
La Norma CEI 64.8 raccomanda una caduta di tensione tra l'origine
dell'impianto elettrico e qualunque apparecchio utilizzatore non superiore
in pratica al 4% della tensione nominale dell'impianto.
In un impianto di forza motrice una caduta di tensione superiore al 4% può
essere eccessiva per le seguenti ragioni:
A)
la corrente di avviamento
motore può raggiungere o
superare il valore di 5 ÷ 7 In.
Se la caduta di tensione è pari al
in
regime
permanente,
probabilmente
raggiungerà,
momento dell'avviamento, un
molto elevato.
di un
anche
6%
essa
al
valore
B)
il corretto funzionamento,
in regime permanente, dei
motori è generalmente garantito
per tensioni comprese tra il ±
5% della tensione nominale;
93
Il valore della caduta di tensione [V] può essere determinato mediante la
seguente formula:
dove:
IB [A] è la corrente nel cavo,
k è un fattore di tensione pari a 2 nei sistemi
monofase e bifase e √3 nei sistemi trifase,
L [km] è la lunghezza della linea,
ed in percentuale
r [Ω/km] è la resistenza di un chilometro
di cavo,
x [Ω/km] è la reattanza di un chilometro
di cavo,
Un [V] è la tensione nominale dell'impianto,
cosϕ è il fattore di potenza del carico.
94
Questo provoca:
• un cattivo funzionamento delle utenze più sensibili;
• difficoltà di avviamento del motore.
Ad una caduta di tensione del 15% corrisponde una riduzione della coppia
di spunto pari circa al 28%.
Durante la fase di avviamento, si consiglia di non superare la caduta di
tensione percentuale del 10% sul cavo del motore.
La caduta di tensione è sinonimo di perdite in linea e quindi di una cattiva
ottimizzazione dell'impianto di trasmissione dell'energia elettrica.
Per questi motivi è consigliabile non raggiungere mai la caduta di tensione
massima ammessa.
La tabella seguente fornisce i valori della resistenza e della reattanza dei
cavi per unità di lunghezza (Ω/km corrispondenti a mΩ/m) in funzione
della sezione dei conduttori.
95
Corrente di spunto del motore
96
97
Esempio applicativo:
In un impianto del tipo in figura occorre
effettuare una verifica della caduta di
tensione della partenza in cavo, la cui
sezione è stata dimensionata a portata.
Il dimensionamento a portata ha condotto
ad una sezione di 50 mm2 .
È imposta una caduta di tensione del 2%.
Dalla tabella della resistenza e reattanza
specifica dei cavi si ha:
S = 50 mm2 , cavo multipolare,
r = 0,483 Ω/km,
x = 0,0779 Ω/km.
Calcoliamo ora la caduta di tensione con la formula:
(NB: la lunghezza del cavo deve essere in km)
98
Utilizzando quindi la formula della caduta di tensione percentuale si ottiene:
essendo ∆u% > del 2% occorre scegliere una sezione superiore:
S = 70 mm2 , cavo multipolare,
r = 0,334 Ω/km,
x = 0,0751 Ω/km.
Utilizzando questi dati otteniamo quindi:
La caduta di tensione risulta verificata (<2%).
La sezione adottata è dunque 70 mm2 in cavo multipolare.
99
Condutture elettriche
I cavi in uso negli impianti elettrici utilizzatori in BT sono caratterizzati dalla tensione
nominale, dal materiale isolante, dalla guaina protettiva, dalla flessibilità, dal numero
delle anime e dalla sezione del conduttore di ciascuna anima
Tipo di posa
Uo/U
Posa fissa
300/500V
Ambienti particolari o posa interrata
450/750V o 0,6/1kV
100
Dimensionamento e verifica condutture
101
102
103
104
Media - Bassa tensione
metodi di posa (CEI 11-17)
Secondo la norma i cavi entro tubazioni o cunicoli
non hanno una profondita’ minima di posa
105
Media - Bassa tensione
distanze sicurezza
Se le distanze minime non possono essere rispettate si devono
adottare opportune protezioni supplementari
106
In presenza di serbatoi contenti liquidi o gas infiammabili occorre
adottare distanze di sicurezza non inferiori a 1 metro
Distanza da tubazioni del gas interrate
sia negli incroci (b) sia nei parallelismi (c) devono essere distanziati almeno 0,5
metri dalle condutture del gas
Le distanze di sicurezza con i cavi di energia che sono posati in tubo o condotto in presenza di
tubazioni per il trasferimento di fluidi infiammabili sono fissate dal DM 24/11/1984 “Norme di
sicurezza antincendio per il trasporto, distribuzione, l'accumulo e l'utilizzazione del gas naturale
con densità non superiore a 0,8” e dovranno di volta in volta essere concordate con gli enti 107
distributori del gas.
Protezione dai
contatti
diretti e indiretti
108
Contatti diretti :
Mezzi di protezione:
La protezione contro i contatti diretti è
assicurata da uno dei mezzi seguenti:
• mettendo fuori portata i conduttori attivi
per mezzo di ostacoli o protezioni
• isolamento dei conduttori attivi
• barriera o cassetta: il grado di protezione minimo garantito dalla
cassetta deve essere IP2x o xxB per le parti attive
• impiego di dispositivi a corrente differenziale di 30 mA
• utilizzo bassissima tensione
Apertura di una cassetta :
deve essere possibile solo nei casi seguenti:
- con l’ausilio di un utensile o di una chiave
- dopo avere tolto la tensione alle parti attive
109
- se una seconda barriera IP > 2x o xxB si trova all’interno della cassetta
Protezione supplementare contro i contatti diretti
Indipendentemente dal regime del neutro, una protezione supplementare
contro i contatti diretti è assicurata, in particolare, dall’utilizzo di DDR ad
alta sensibilità (≤ 30 mA).
Le norme IEC 60364 impongono in particolare l’utilizzo di tali dispositivi
nei casi seguenti:
• circuiti di alimentazione delle basi di prese di corrente ≤ 32 A
• installazioni temporanee, installazioni mobili
• installazioni da cantiere
• bagni, piscine
• roulotte, imbarcazioni turistiche
• alimentazione di veicoli
• impianti agricoli
• cavi e rivestimenti riscaldanti annegati nel suolo o nelle pareti di un
edificio.
Tale disposizione di protezione supplementare contro i contatti diretti,
secondo la norma IEC 60479, non è più accettabile quando la
tensione di contatto rischi di raggiungere i 500 V: l’impedenza umana
rischia di lasciare passare una corrente pericolosa superiore a 500 mA.
110
Misure di protezione contro i contatti diretti
Protezione per limitazione della corrente
apparecchiature speciali quali antenne televisive, recinzioni elettriche,
apparecchi elettromedicali, hanno parti metalliche accessibili collegate a
circuiti attivi tramite un’impedenza di valore elevato. Per garantire dal
pericolo dell’elettrocuzione si deve fare in modo che la corrente che può
attraversare il corpo di una persona durante il servizio ordinario non sia
superiore a
• 1mA in corrente alternata
• 3mA in corrente continua.
Le parti metalliche che non devono essere toccate durante il servizio
ordinario devono presentare una tensione di contatto che non deve dar
origine, attraverso il corpo della persona, a correnti non superiori a 3,5 mA
in corrente alternata e a 10 mA in corrente continua.
Protezione per limitazione della carica elettrica
I condensatori devono essere protetti contro il contatto diretto quando viene
superato un determinato valore di capacità per evitare che un’eventuale
corrente di scarica, anche se impulsiva, possa provocare effetti pericolosi
sulle persone. I valori massimi di capacità del condensatore sono :
111
Protezione parziale con ostacoli e allontanamento.
Hanno il compito di proteggere dai contatti accidentali e di realizzare
l’allontanamento di parti a tensione diversa simultaneamente accessibili (Le
norme CEI 64/8 considerano parti simultaneamente accessibili quelle che si
trovano a distanza inferiore a 2,5 m sia in verticale che in orizzontale e che
quindi non possono convenzionalmente essere toccate contemporaneamente
da una persona) Sono destinate solo alla protezione di personale addestrato
e vengono applicate nelle officine elettriche.
Isolamento
Le misure di protezione totali consistono nell’isolamento delle parti attive e
nell’uso di involucri o barriere. Le parti attive devono essere ricoperte
completamente da uno strato di isolante avente spessore adeguato alla
tensione nominale Vernici, lacche, smalti e prodotti simili non sono
considerati idonei a garantire una adeguata protezione contro i contatti
diretti.
Involucri e barriere
L’involucro garantisce la protezione dai contatti diretti quando esistono parti
attive (ad es. morsetti elettrici) che devono essere accessibili e quindi non
possono essere completamente isolate. La barriera è un elemento che
impedisce il contatto diretto nella direzione normale di accesso.
112
Protezione mediante bassissima tensione di sicurezza
Con i sistemi a bassissima tensione, denominati anche di categoria zero è
garantita una protezione sia contro i contatti diretti che indiretti (SELV,
PELV,FELV).
Alimentazione
- un trasformatore di sicurezza conforme alle Norme CEI 14-6, un motore
generatore con gli avvolgimenti isolati come indicato dalle Norme CEI 166, una batteria un gruppo di continuità statico ad inverter ecc..
Parti attive - non è ammesso collegare a terra o a conduttori di protezione
o a parti attive di altri circuiti le parti attive dei circuiti SELV e delle
apparecchiature alimentate ;
Masse (SELV) - è vietato collegare le masse a terra o a conduttori di
protezione o a masse di altri circuiti elettrici. (PELV) è ammesso collegare
le masse a terra
Prese a spina - non deve essere presente il morsetto per il collegamento
del conduttore di protezione e deve essere impedito l’accoppiamento con
prese e spine di altri sistemi compresi quelli PELV e FELV ;
Protezione contro i contatti diretti - se la tensione nominale del circuito
non è superiore a 25V in c.a. e a 60V in c.c. non è necessaria alcuna
protezione (a meno che il circuito non si trovi in ambienti critici come
locali da bagno, piscine, luoghi conduttori ristretti ecc..). Se la tensione
supera tali valori le parti attive, devono essere protette IPXXB
113
Separazione di protezione rispetto agli altri sistemi
Protezione per separazione elettrica mediante
trasformatore di isolamento
Il circuito deve rispondere ai seguenti requisiti :
• alimentazione da trasformatore di isolamento rispondente alle Norme
CEI 96-2 oppure con apparecchiature aventi analoghe caratteristiche
come ad esempio un gruppo motore generatore. La separazione è invece
implicita se l’alimentazione proviene da sorgenti autonome (gruppo
elettrogeno, batterie o altro dispositivo) non collegate alla rete;
• la tensione del circuito separato non deve superare i 500 V.
• il circuito separato deve essere di estensione ridotta e comunque non
superiore a:
e comunque non superiore a 500 m dove L è la lunghezza della linea in
metri a valle del trasformatore e Un la tensione di alimentazione
nominale in volt del circuito separato ;
114
¾La separazione verso altri circuiti elettrici deve essere almeno
equivalente a quella richiesta tra gli avvolgimenti del trasformatore
di isolamento.
¾per il circuito separato è raccomandabile utilizzare condutture
separate da quelle di altri circuiti. Ove questo non fosse possibile si
devono impiegare cavi multipolari senza guaina metallica isolati per
la tensione nominale del sistema a tensione più elevata.
U0 (V)
t (s)
120
230
400
<400
0,8
0,4
0,2
0,1
115
Un primo guasto d’isolamento potrebbe permanere per un tempo
indefinito senza rischi per le persone, mentre un secondo guasto su
un’altra fase di un secondo apparecchio determinerebbe un pericolo per
la persona in contatto con i due apparecchi.
Quando il circuito separato alimenta più di un utilizzatore ogni massa va
collegata ad un conduttore equipotenziale isolato da terra, in modo che
un doppio guasto a massa venga tramutato in un corto circuito e possa
così essere eliminato dai dispositivi di massima corrente, posti a
protezione delle singole linee, con i tempi indicati in tabella
Prescrizioni da seguire per i collegamenti equipotenziali
• il collegamento non deve interessare l’involucro metallico della sorgente
di alimentazione;
• tutte le prese del circuito separato devono avere l’alveolo di terra
collegato al conduttore equipotenziale ;
• il conduttore equipotenziale deve essere dotato di guaina isolante, in
modo che non possa andare in contatto con conduttori di protezione, di
terra o masse di altri circuiti ;
• tutti i cavi di alimentazione delle utenze, tranne quelli di classe II,
devono avere il conduttore di protezione incorporato che sarà utilizzato in
116
questo caso come conduttore equipotenziale ;
• tutti i cavi di alimentazione delle utenze, tranne quelli di classe
II, devono avere il conduttore di protezione incorporato che sarà
utilizzato in questo caso come conduttore equipotenziale ;
• ogni collegamento deve essere effettuato con sezioni non
inferiori a 2,5 mm2 se con protezione meccanica, 4 mm2 se non è
prevista alcuna protezione meccanica (il conduttore equipotenziale
incorporato nel cavo di alimentazione dell’utilizzatore può avere
sezione inferiore a quelle indicate ma non a quella del conduttore
di fase) ;
• il collettore equipotenziale principale non deve avere sezione
inferiore a 6 mm2
117
L’interruttore differenziale come protezione addizionale contro i
contatti diretti e protezione attiva contro i contatti indiretti
L’interruttore differenziale con corrente nominale d’intervento non
superiore a 30mA è riconosciuto come protezione addizionale
contro i contatti diretti
IDn
Tempo
IDn
2IDn
5IDn
0,3 s
0,15 s
0,04 s
Classe AC
differenziali sensibili alla sola corrente di dispersione alternata.
Classe A
differenziali con caratteristiche di funzionamento anche
per correnti di dispersione con componenti pulsanti unidirezionali.
Classe B
Dispositivi differenziali con caratteristiche di funzionamento anche
per le correnti di dispersione di tipo continuo.
118
Contatto fra due parti attive del sistema
• se la persona è isolata da terra il dispositivo differenziale
sicuramente non interviene
• se la persona non è isolata da terra il differenziale può anche
intervenire. Se il contatto non è simultaneo, ma prima viene toccata
la fase, il dispositivo può intervenire se la corrente verso terra è
maggiore di Idn e se il tempo di contatto sulla sola fase permane per
il tempo minimo di non funzionamento del dispositivo.
Possibili malfunzionamenti del differenziale dovuti a:
⇒Correnti di dispersione
L’interruttore
differenziale
è
sensibile alla somma vettoriale delle
correnti e può non intervenire anche
se la persona è percorsa da una
corrente superiore a 30 mA.
119
Contatti indiretti :
La protezione contro i contatti
indiretti si può ottenere:
• senza interruzione automatica
dell’alimentazione
• con interruzione automatica
dell’alimentazione.
Protezione senza interruzione automatica dell’alimentazione
Può essere assicurata con:
• l’utilizzo bassissima tensione
• la separazione delle masse in modo tale che una persona non possa
essere contemporaneamente in contatto con le due masse
• il doppio isolamento del materiale (classe II)
• la connessione equipotenziale, non collegata a terra, di tutte le
masse accessibili contemporaneamente
• la separazione elettrica (con trasformatore per circuiti < 500 V).
120
Protezione con interruzione automatica dell’alimentazione
Consiste nel separare dall’alimentazione il circuito o il materiale che
presentano un difetto d’isolamento tra una parte attiva e la massa.ù
Per evitare effetti fisiologici pericolosi per una persona che venga a contatto
con la parte difettosa, si limita la tensione di contatto Uc a un valore limite
UL.
Quest’ultimo dipende:
• dalla corrente IL ammissibile per il corpo umano
• dal tempo di passaggio della corrente
• dallo schema del collegamento a terra
• dalle condizioni dell’impianto.
Le norme IEC 60364 definiscono il tempo d’interruzione massimo
del dispositivo di protezione in condizioni normali (UL= 50 V), (ULè la
tensione di contatto più elevata che si può mantenere indefinitamente senza
pericolo per le persone), (vedi tabella)
121
Tensioni di contatto:
122
Sistema TT
In regime TT, la protezione è assicurata da dispositivi differenziali. In
questo caso, la sezione e la lunghezza dei conduttori non intervengono.
Occorre semplicemente assicurarsi che la resistenza della presa di
terra sia tale che:
123
Sistema TN e IT
Quando la rete non è protetta da un dispositivo differenziale, occorre
assicurarsi del buon coordinamento tra il dispositivo di protezione e la
scelta dei conduttori. In effetti, se l’impedenza del conduttore è troppo
elevata, si rischia di avere una debole corrente di guasto, che fa scattare il
dispositivo di protezione in un tempo superiore a quello prescritto dalla
norma IEC 60364.
Tale corrente provoca allora una tensione di contatto pericolosa.
Per limitare l’impedenza del circuito, occorre limitare la lunghezza dei
conduttori di una data sezione.
Sistema TN
Sistema IT
124
Protezione dai contatti indiretti
Protezione con componenti di classe II
L’insieme dell’isolamento principale e supplementare è denominato doppio
isolamento oppure, se l’isolamento è unico ma equivalente al doppio
isolamento, isolamento rinforzato.
Condutture di Classe II
• cavi con guaina isolante di tensione superiore di un gradino rispetto a
quella del sistema elettrico (isolamento rinforzato) ;
• cavi unipolari senza guaina installati in tubo protettivo o in canale
isolante rispondente alle Norme di prodotto ;
•
cavi con guaina metallica aventi isolamento idoneo alla tensione
nominale del sistema elettrico tra la parte attiva e la guaina metallica e tra
questa e l’esterno.
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Protezione per mezzo di luoghi non conduttori
In un ambiente isolato un contatto con una parte in tensione non è
pericoloso in quando non fluisce nessuna corrente attraverso il corpo
umano isolato da terra. In ogni punto si deve una resistenza verso
terra :
per tensioni Un< 500 V
per tensioni Un> 500 V
le masse devono essere lontane fra loro e le masse estranee almeno 2 m
in orizzontale e 2,5 m in verticale se a portata di mano, e 1,25 m se
fuori dalla portata di mano in modo che non sia possibile toccare
contemporaneamente due masse o una massa o una massa estranea.
¾il locale deve essere sorvegliato da personale addestrato
¾non devono essere utilizzate prese a spina ;
¾le masse estranee uscenti dal locale devono essere interrotte con
manicotti isolanti ;
¾non devono essere introdotti nel locale conduttori di protezione
126
Protezione attiva dai contatti diretti : SISTEMA TT
127
128
Protezione attiva dai contatti diretti : SISTEMA TN
129
130
131
132
Interruttori differenziali e sistema TN
I differenziali possono essere utilizzati solo nei sistemi TN-S
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 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
133
Sistemi IT
Si ricorre al sistema di distribuzione IT negli impianti in cui
è necessario garantire la continuità
Un guasto a terra in un sistema con neutro isolato da terra provoca la
circolazione di una piccola corrente di guasto dovuta principalmente
all’accoppiamento capacitivo dei cavi ed in misura minore ai motori e agli
134
altri componenti dell’impianto
Protezione dai contatti indiretti nei sistemi IT
Con il primo guasto a terra il sistema non è più isolato da terra e si trasforma in un
sistema TN (con impianto di terra unico).
Il doppio guasto interessa due fasi come se si trattasse di un sistema TN con una
tensione uguale a alla concatenata. L’anello di guasto e la relativa impedenza non sono
noti. La Norma stabilisce convenzionalmente che l’impedenza dell’anello di guasto
debba essere la metà di quella permessa per un sistema TN. In questo modo dovrebbe
essere possibile l’apertura di almeno uno dei due circuiti guasti
Ia è la corrente che provoca l’intervento del
dispositivo di protezione
135
