ISTITUTO TECNICO COMMERCIALE E PER GEOMETRI
“DI VITTORIO”
via Yvon De Begnac, 6 – 00055 LADISPOLI (RM)
Docente: GILBERTO GENOVESE
CORSO DI IMPIANTI
Sicurezza elettrica: Impianti di
messa a terra
Anno Scolastico 2008-2009
INDICE
GENERALITÀ
PAG. 1
TIPI DI CONTATTO
PAG. 1
PROTEZIONI CONTRO IL CONTATTO INDIRETTO
PAG. 2
IMPIANTO DI MESSA A TERRA
PAG. 3
IL DISPERSORE DI TERRA
PAG. 7
Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
SICUREZZA ELETTRICA: IMPIANTI DI MESSA A TERRA
GENERALITA’
Le norme per la sicurezza elettrica vengono definite dal CEI (Comitato Elettrotecnico
Italiano); tali norme stabiliscono che tensioni minori di 50 V sono sopportabili dal corpo umano per
un tempo pari ad infinito, mentre tensioni pari a 50 V sono sopportabili per non più di 5 s (limite di
sopportabilità). Chiaramente il limite di sopportabilità, ovvero il tempo sopra definito, diminuisce al
crescere del valore della tensione applicata ai capi del nostro corpo.
Allo scopo di comprendere gli effetti della circolazione di una corrente elettrica nel corpo
umano occorre fare qualche precisazione; vedremo in tal senso che quello che danneggia il corpo
umano non è tanto la differenza di potenziale applicata, cioè la tensione, bensì l’intensità di
corrente. L’applicazione, per un intervallo di tempo sufficientemente lungo, di una tensione esterna
di ampiezza opportuna, superiore ad un certo valore di soglia, può alterare le concentrazioni
ioniche cellulari e il suo stato di polarizzazione, inducendo quello che viene designato come stato
di stimolazione dovuto all’applicazione di potenziale di azione, rimosso il quale la cellula può
riportarsi allo stato primitivo entro un tempo più o meno breve.
Il passaggio di una corrente elettrica nei tessuti umani ha effetti fisiologici largamente
variabili, dipendenti dal valore della corrente, dalla sua frequenza, dalla durata del contatto, dalla
sensibilità individuale e dalla zona del corpo in cui il fenomeno ha luogo.
La pericolosità della elettrocuzione si manifesta attraverso una serie di fenomeni tra i quali
vanno sicuramente ricordati:
a) Tetanizzazione: lo stimolo elettrico sulle singole cellule provoca la contrazione di un
intero fascio muscolare, con sintomi non lontani dal tetano.
b) Blocco respiratorio: per valori piuttosto elevati di corrente e soprattutto se la zona
interessata è quella toracica, si può subire un danno da paralisi respiratoria, causa di
danni irreversibili al cervello se tale blocco supera i 2÷3 minuti.
c) Fibrillazione ventricolare: i disturbi legati al passaggio elettrico investono anche il
muscolo cardiaco, sconvolgendo il suo normale ritmo fino con possibilità di diventare
letale.
d) Ustioni: con densità di corrente di pochi mA/mm2 si possono avere ustioni aprezzabili
soprattutto nelle zone di maggior resistenza come la pelle; oltre i 40÷50 mA/mm2 si
ha la carbonizzazione di tessuti interessati.
TIPI DI CONTATTO
Al termine di questa doverosa premessa, e al fine di valutare il comportamento del corpo
umano dinanzi al passaggio di corrente elettrica, è necessario conoscere il valore della resistenza
del corpo umano. Ad essa è stato attribuito un valore ricavato sperimentalmente e pari a 3000
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
Ohm, anche se è necessario evidenziare che tale valore può variare da individuo ad individuo e da
situazione a situazione.
Gli incidenti di tipo elettrico vengono classificati in due grosse categorie:
contatto diretto: si verifica quando una o più parti del corpo vengono in contatto con
parti di impianto elettrico normalmente in tensione, ad esempio un conduttore nudo;
contatto indiretto: si ha quando la folgorazione è provocata dal contatto con parti
metalliche che normalmente non sono in tensione (dette comunemente masse), ma
che vengono ad esserlo a causa di un difetto di isolamento sopraggiunto.
È opportuno aggiungere qualche definizione relativa ai tipi di isolamento:
l’isolamento principale: è quello che copre i fili conduttori impedendo il contatto con il
corpo umano;
l’isolamento funzionale: è costituito dai vari tipi di isolatori che tengono separati i
conduttori fra di loro e dalle carcasse metalliche;
l’isolamento supplementare: è quello che va ad aggiungersi al principale; si pensi
all’asciugacapelli e alla sua guaina isolante. L’insieme dell’isolamento principale e
secondario costituisce il doppio isolamento;
l’isolamento rinforzato: è un isolamento unico che risponde alle sollecitazioni
elettriche al pari del doppio isolamento.
PROTEZIONI CONTRO IL CONTATTO INDIRETTO
A seguito di quanto sopra detto va specificato che tra le due tipologie di contatto quella più
pericolosa per il suo carattere aleatorio e accidentale è il contatto indiretto; mentre infatti il contatto
diretto va assolutamente evitato, quello indiretto è particolarmente insidioso perché imprevedibile.
È pertanto necessario proteggersi da questo facendo ricorso ad opportuni sistemi di protezione tra
i quali vanno ricordati:
l’impiego di apparecchi con doppio isolamento;
l’impiego di un locale equipotenziale: in esso esiste un conduttore (conduttore
equipotenziale) a cui sono connesse tutte le masse. In questo contesto uomo e masse metalliche
vengono a trovarsi alla stessa differenza di potenziale (Fig. 1);
Fig. 1 – Locale equipotenziale
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
l’impiego di un locale isolante: si tratta di un locale che viene considerato completamente
isolato da terra quando pareti e pavimenti presentano una resistenza verso terra inferiore a 50 kΩ
per tensioni nominali fino a 500 V e di almeno 100 kΩ per tensioni superiori a 500 V (Fig. 2).
Fig. 2 – Locale isolato
Chiaramente queste soluzioni non sono proponibili per utenze domestiche dove invece si fa
ricorso alla protezione con interruzione del circuito, cioè all’impianto di messa a terra.
IMPIANTO DI MESSA A TERRA
Prima di descrivere il principio di funzionamento di un impianto di messa a terra per
un’utenza domestica, cominciamo a vedere cosa accade quando non disponiamo di un tale
sistema.
Sappiamo che nei punti presa di un comune impianto elettrico di tipo domestico giungono
due fili, la fase e il neutro. Supponiamo di alimentare da una presa elettrica un apparecchio
utilizzatore, una lavatrice ad esempio, e supponiamo ancora che a causa di un sopraggiunto difetto
di isolamento la carcassa di quest’ultimo, ovvero la massa, venga a trovarsi in tensione. La
situazione è tale da mettere in serie pericolo la vita di chiunque accidentalmente venga a contatto
con la carcassa metallica dell’apparecchio in questione (Fig. 3).
Fig. 3 – Situazione di contatto indiretto senza impianto di messa a terra
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
Difatti la corrente di guasto Ig generata da un difetto di isolamento, mette in tensione la
massa metallica dell’apparecchio e si scarica a terra dopo aver attraversato il corpo dell’omino
venuto accidentalmente in contatto con lo stesso. Ricordando che il corpo umano ha una
resistenza Rc di circa 3000 Ohm, e considerando che a questa può aggiungersi una resistenza
addizionale dovuta ad esempio alla presenza di calzature Rct, l’equivalente rete elettrica che
descrive la situazione è la seguente (Fig. 4):
Fig. 4 – Rete elettrica equivalente ad una situazione di contatto indiretto senza impianto di messa a terra
dove
E = 220 V
Rc = 3000 Ω
Rn ≅ 3÷5 Ω
risolvendo la rete in questione e trascurando Rn si ricava:
I c=
E
Rn + Rc +R ct
⇒
V c= RcIc ≅
Rc
E
Rc +R ct
Nel caso peggiore in cui Rct = 0, ovvero il nostro omino non indossa calzature e i suoi piedi
vengono a trovarsi a potenziale zero, allora la tensione ai capi del corpo è proprio pari a E = 220 V;
in questo caso la corrente che attraversa il corpo è circa 70 mA, valore assolutamente fatale per
chiunque (limite di sopportabilità è di circa 10÷20 mA).
Vediamo invece cosa accade quando l’utenza domestica è provvista di impianto di messa a
terra (Fig. 5).
Fig. 5 – Situazione di contatto indiretto con impianto di messa a terra
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
In tal caso, come si evince dall’osservazione delle figura sopra riportata, la corrente di
guasto Ig generata da un difetto di isolamento, a seguito del contatto del nostro omino con la
carcassa dell’apparecchio, ha la possibilità di scegliere tra due possibili vie di fuga: da un parte il
conduttore di terra, che negli impianti elettrici è realizzato con conduttori aventi la caratteristica
guaina giallo-verde che convergono nel dispersore di terra e a cui è associata una resistenza Rt, e
dall’altra il corpo del nostro omino sfortunato che indossa delle calzature e a cui è associata una
resistenza pari a Rc+Rct. L’analisi del circuito equivalente elettrico renderà più immediata la
comprensioni degli aspetti fondamentali (Fig. 6).
Fig. 6 – Rete elettrica equivalente ad una situazione di contatto indiretto con impianto di messa a terra
In tal caso possiamo andare a risolvere la rete in questione e calcolare Ig
Ig=
E (Rc + Rct + Rt )
E
=
Rn + (Rc +R ct ) // Rt Rn (Rc + Rct + Rt ) + (Rc + Rct )Rt
Se Rt fosse molto maggiore di Rc+Rct, essa potrebbe essere sostituito con un aperto e
torneremmo nella situazione di impianto senza messa a terra; Rt deve pertanto essere molto
piccolo. Questo mi consentirebbe di trascurare il suo valore rispetto a Rc+Rct; per cui andando ad
applicare la regola del partitore di corrente è possibile determinare Ic:
I g≅
E
Rn + Rt
I c = Ig
⇒
Rt
E
Rt
=
⋅
Rt + Rc +R ct Rn + Rt Rt + Rc + Rct
e quindi:
V c= RcIc = Rc
E
Rt
⋅
Rc +R ct Rn + Rt
Ma Vc può essere minimizzata minimizzando il termine Rt/(Rn+Rt). Dovendo essere Vc≤ Vs
(dove Vs=50 V) si ottiene:
50V = E
Rt
Rn + Rt
e se
E= 220 V
⇒
Rt = 0,3 Rn
Ma Rt così calcolata è dell’ordine degli Ohm, valore assolutamente incompatibile con la
realtà; difatti sarebbe impossibile costruire un dispersore di terra con una resistenza così bassa.
L’installazione di un impianto di messa a terra è finalizzata a fare in modo che la corrente di guasto
generata da un sopraggiunto difetto di isolamento, escluda, tra le possibili vie di fuga, il passaggio
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
attraverso il corpo del nostro omino per privilegiare il percorso del conduttore di terra. Affinché
questo accada la resistenza Rt deve assumere un valore così piccolo al punto tale da essere
irrealizzabile nella pratica costruttiva. Allora come può un impianto di messa a terra assolvere alla
sua funzione di protezione contro il contatto indiretto?
Possiamo pensare al contributo offerto dall’interruttore magnetotermico installato a valle del
contatore il cui scopo è quello di intervenire interrompendo l’erogazione dell’energia elettrica
quando questa supera un valore di soglia prestabilito. Vediamo se davvero può bastare
analizzando il problema dal punto di vista didattico.
Sappiamo che Vc≤ Vs=50 V , ma
50V = Rt I5s
dove I5s è la corrente di soglia tollerabile al massimo per 5 secondi. Sapendo che I5s è
convenzionalmente pari a quattro volte il valore della corrente nominale Inom che per un comune
impianto domestico è pari a 16 A, si ottiene:
Rt =
50V
50V
=
= 0,78Ω < 1Ω
4 ⋅ Inom 64 A
Ancora una volta il valore della resistenza di terra è così basso da essere impraticabile
nella realtà costruttiva. Dunque un impianto di messa a terra diviene efficace se e solo se
prevediamo nel nostro impianto l’installazione di un salvavita.
Il salvavita è un interruttore differenziale, più precisamente un relè differenziale il cui
principio di funzionamento può essere dedotto dallo schema seguente (Fig. 7).
Fig. 7 – Schema funzionale di un relè differenziale (salvavita)
Intorno ad un nucleo magnetico toroidale sono controavvolti due avvolgimenti di uguale
numero di spire N1, percorsi dalla corrente che va ad alimentare la nostra impedenza (nella figura
Zc). Se la corrente entrante è uguale a quella uscente, i flussi di induzione prodotti dai due
avvolgimenti sono uguali e di segno opposto, per cui il flusso netto nel nucleo è nullo. Se, invece,
per ragioni di varia natura viene derivata verso terra una corrente Id, allora la corrente entrante I è
diversa da quella uscente I-Id; si manifesta così un flusso netto che concatenandosi con le N2 spire
di un terzo avvolgimento, determina una forza elettromotrice indotta che eccita il relè provocando
l’apertura dell’interruttore.
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
Nel caso di guasto analiticamente accade quanto segue:
Vc = Rt Id
50V = Rt Id = Rt ∆I
⇒
dove 50 V è ancora una volta la tensione massima tollerabile, mentre ∆I è la sensibilità
dell’interruttore differenziale, cioè il valore di corrente di guasto al di sopra del quale si genera un
forza elettromotrice tale da interrompere l’erogazione di elettricità. In genere ∆I assume valori tra
10÷30 mA; questo significa che:
Rt =
50V
50V
=
= 1600Ω
∆I
30mA
valore questo assolutamente compatibile con le esigenze costruttive di un dispersore di
terra. Nella realtà accade che il circuito si chiude prima ancora che l’omino tocchi la carcassa
metallica dell’apparecchio in tensione grazie alla presenza della resistenza Rt. Se tale resistenza
non ci fosse, il circuito si chiuderebbe soltanto quando l’omino viene a contatto con la massa
metallica; quindi l’interruttore si aprirebbe ugualmente ma dopo aver provocato danni allo
sfortunato omino della situazione.
L’installazione del salvavita unitamente all’impianto di messa a terra garantiscono una
concreta protezione contro il contatto indiretto.
IL DISPERSORE DI TERRA
L’impianto di messa a terra prevede l’installazione di conduttori che collegano le masse
degli apparecchi con uno o più dispersori infissi nel terreno al quale sappiamo essere
convenzionalmente attribuito potenziale zero. Tali conduttori hanno la caratteristica guaina gialloverde e sono contraddistinti dalla sigla PE. In linea di principio qualunque oggetto metallico posto
in intimo contatto con il terreno si presta ad essere considerato un dispersore; nella pratica
costruttiva le prescrizioni relative a qualità e dimensioni dei dispersori sono dettate dalle Norme
esistenti in materia. Le Norme sottolineano l’opportunità che i conduttori di terra abbiano un
percorso possibilmente breve e che non siano sottoposti a corrosione o a sollecitazioni
meccaniche.
La dispersione di una corrente nel terreno associa ad un campo di densità di corrente un
campo elettrico, il loro andamento dipende dalla forma del dispersore e dalla distanza da esso.
Nella zona adiacente il dispersore, il rischio elettrico viene quantificato valutando la cosiddetta
tensione di passo, intesa come la tensione che si manifesta fra i piedi di una persona, posti alla
distanza convenzionale di 1 metro (Fig. 8).
Fig. 8 – Schema per la valutazione della tensione di passo
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Sicurezza elettrica: Impianti di messa a terra
La tensione di passo Vp ha un andamento che dipende:
-
dalla corrente dispersa a terra: bisogna sempre far riferimento al caso di
guasto peggiore;
-
dalla natura del terreno: diminuisce con la resistività;
-
dalla direzione del movimento: a parità di distanza dal dispersore, è massima
quando ci si muove radialmente e si annulla quando ci si muove secondo una
delle circonferenze equipotenziali.
La tensione di passo decresce piuttosto rapidamente man mano che ci si allontana dal
dispersore, fino a scendere al di sotto della soglia di pericolosità (Fig. 9).
Fig. 9 – Andamento della tensione di passo in funzione della distanza
Queste valutazioni devono essere applicate al fine di individuare una zona di pericolo in
prossimità del paletto dispersore, zona che deve essere pertanto protetta con una recinzione che
ne limiti l’accessibilità.
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