RISCHIO ELETTRICO

Prof. Dr. Ing. A. VASILE - lezione del 17.06.2005. Appunti estratti dal volume “Fondamenti di Sicurezza Elettrica” – Vito CARRESCIA – Ed. Hoepli Milano – 1984.

Corpo Umano ed Elettricità Il corpo umano può essere definito un sacco d’acqua pieno di ioni; tali sono infatti le cellule ed il liquido interstiziale che le separa. La cellula ha la capacità di tenere al di fuori della sua membrana citoplasmatica la carica N+ e K+ mentre all’interno trattiene la carica Cl-. Così fra l’interno e l’esterno della membrana si crea una differenza di potenziale (70 – 100 mV).

In altre parole la membrana cellulare separa cariche elettriche e svolge dunque le funzioni di un condensatore (Vedi figura seguente).

L’attività biologica si accompagna ad un’attività elettrica, quindi correnti elettriche esterne, sommandosi alle piccole correnti fisiologiche interne, possono alterare le funzioni vitali dell’organismo fino a provocare effetti letali.

70 – 100 mV

Cl-

N+, K+

Negli atomi di molecole anche complesse sono gli elettroni delle orbite nucleari esterne a transitare in quelle di altri atomi, quindi quando parliamo di corrente elettrica parliamo di movimenti di elettroni. Tutta la vita funziona per attrazione e repulsione di cariche elettriche. Se un tessuto muscolare, tramite i centri nervosi, è sottoposto a un impulso di corrente elettrica si contrae. Il sistema nervoso degli animali tramite l’attività elettrica controlla la contrazione e l’estensione dei muscoli. Nei grafici seguenti si evidenziano gli effetti di stimoli elettrici applicati al nervo di un muscolo.

Il cuore, il muscolo più importante per la vita degli animali, è sensibile alla corrente elettrica come gli altri muscoli.

Il muscolo cardiaco si contrae 60 – 100 volte al minuto e sostiene, al pari di una pompa, la circolazione sanguigna nei vasi. La contrazione delle fibre muscolari è prodotta da impulsi elettrici provenienti dal nodo senoatriale. Il nodo senoatriale è un generatore biologico di impulsi elettrici che tramite un tessuto specifico di conduzione denominato fascio di HIS comandano le fibre muscolari ventricolari; queste si contraggono pompando il sangue nel sistema arterioso.

Se, per alterazioni patologiche, il nodo senoatriale viene meno alla sua funzione, può essere sostituito da un generatore artificiale di impulsi elettrici: il Pacemaker. Ciò dimostra che nel cuore si generano e circolano correnti del tipo di quelle che percorrono un comune circuito elettrico. Se delle correnti di origine esterna si sovrappongono a quelle fisiologiche creano malfunzionamenti nella pompa cardiaca. Correnti di intensità elevata, come possono essere causate dalla elettrocuzione, portano ad uno scompiglio tale nel funzionamento del muscolo cardiaco anche letale

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Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano dipendono essenzialmente dalla natura, dall'intensità dalla durata del passaggio e dal percorso. Una corrente di circa 25-30 milliampère che attraversi il corpo umano per alcuni secondi, può essere mortale. Per avere un passaggio di corrente di questo valore sono sufficienti, in alcuni casi, tensioni di poco superiori a 25 Volt, per corrente alternata, ed a 50 Volt per corrente continua.

Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo umano può determinare:

- tetanizzazione:lo stimolo elettrico eccita le fibre nervose al punto di comandare la contrazione dei muscoli. Ne può derivare l'impossibilità di movimenti e di distacco dal punto di contatto elettrico.

- Cessando lo stimolo elettrico, i muscoli tornano lentamente allo stato di riposo.

arresto della respirazione: quando i muscoli tetanizzati sono quelli che governano i movimenti del torace si ha l'arresto della respirazione. Al perdurare della corrente si ha la perdita di coscienza e la morte per soffocamento.

- arresto del cuore:se la corrente attraversa il cuore, essa provoca un grave disordine nella regolarità degli impulsi che stimolano il muscolo cardiaco. E' il fenomeno della fibrillazione. ventricolare, responsabile di tante morti per elettrocuzione, popfolgorazione.

La fibrillazione ventricolare, una volta innescata, non si arresta spontaneamente neanche al cessaredella corrente elettrica che l'ha generata.

- ustioni:il passaggio di corrente e'accompagnato da sviluppo di calore con conseguente aumento della temperatura che può portare all'ustione.In genere la parte più colpita è la pelle, ma talvolta l'ustioneinteressa anche zone più profonde e la guarigione e' difficile.

EFFETTI DELLA CORRENTE ELETTRICA SUL CORPO UMANO

Fig. 2 Zone di pericolosità della corrente elettrica alternata (15 -:- 100 Hz). (1) Di solito, assenza di reazioni, fino alla soglia di percezione (dita della mano). (2) In genere nessun effetto fisiologico pericoloso, fino alla soglia di tetanizzazione. (3) Possono verificarsi effetti patofisiologici, in genere reversibili, che aumentano con l'intensità della corrente e con il tempo, quali: contrazioni muscolari, difficoltà di respirazione, aumento della pressione sanguigna, disturbi nella formazione e trasmissione degli impulsi elettrici cardiaci, compresi la fibrillazione atriale e arresti temporanei del cuore ma senza fibrillazione ventricolare. (4) Probabile fibrillazione ventricolare, arresto del cuore. arresto della respirazione, gravi bruciature.

Il valore di 10 mA come soglia di sicurezza è stato calcolato per . uomini di 50 chili di peso, per donne, bambini e per uomini al di sotto di tale peso il limite deve essere diminuito. E’ importante ricordare che per quelle persone con problemi cardiaci a cui è stato applicato uno stimolatore cardiaco (pacemaker), la soglia di sicurezza è molto più bassa che per una persona normale. Infatti correnti dell’ ordine della decina di microampere possono innescare la fibrillazione ventricolare. Questo è dovuto al fatto che il cuore di queste persone è collegato direttamente con elettrodi allo stimolatore cardiaco, per cui la corrente elettrica che entra nel corpo può passare tutta attraverso il cuore.

CONTATTI DIRETTI E INDIRETTI

Gli infortuni elettrici avvengono in genere per contatto con parti in tensione. I contatti con il circuito elettrico sono distinti in due tipi:diretti e indiretti. Si può entrare in contatto con una parte dell' impianto normalmente in tensione, come un conduttore, un morsetto,l'attacco di una lampada, di un fusibile, ecc.., divenuti casualmente accessibili; si parla in tal caso di contatto diretto. Si può altresì entrare in contatto con una parte dell' impianto normalmente non in tensione, come ad esempio la carcassa di un motore, ma che ha accidentalmente assunto una tensione pericolosa per un guasto d'isolamento; si parla in tal caso di contatto indiretto.

Istintivamente si pensa che un contatto diretto sia più pericoloso di un contatto indiretto, ma le statistiche non confermano questa sensazione. La percentuale di infortuni mortali in un caso o nell' altro si equivalgono. Il contatto indiretto e però il più insidioso perché si può cercare di evitare il contatto diretto con una condotta prudente verso l’impianto elettrico, ma è impossibile evitare il contatto con le parti normalmente non in tensione.

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI DIRETTI

I sistemi di protezione più comuni contro i contatti diretti sono la protezione mediante isolamento delle parti attive e la protezione mediante involucri e barriere.

Protezione mediante isolamento delle parti.

Le parti attive devono essere completamente ricoperte con materiale isolante, (isolamento principale), che possa essere rimosso solo mediante distruzione. Come ad esempio il rivestimento in gomma dei conduttori di rame. Il materiale isolante deve essere adeguato alla tensione d'uso e deve resistere alle sollecitazioni meccaniche (urti, vibrazioni,ecc.) ed alle alterazioni chimiche cui possa essere esposto durante l'esercizio. Vernici, lacche, smalti e simili non sono in genere da considerare idonei ai fini della protezione contro i contatti diretti.

Protezione mediante involucri o barriere.

Chiaramente l'isolamento principale non può rivestire tutte le parti in tensione di un impianto elettrico, (contatti, viti di serraggio, etc.) Le parti nude in tensione devono quindi essere poste dentro involucri o dietro barriere che assicurino la protezione dai contatti diretti in ogni direzione (quadri elettrici, scatole di distribuzione, etc.).

Gli involucri e le barriere devono essere saldamente fissati, avere sufficiente stabilità e durare nel tempo in modo da conservare una buona protezione, anche meccanica, nelle condizioni di servizio prevedibili, tenuto conto dei fattori ambientali.

Il grado di protezione di un involucro o barriera è identificato dalle lettere IP seguite da due cifre:

- la prima indica il grado di protezione del materiale elettrico contro la penetrazione di corpi estranei e contro i contatti diretti,

- la seconda cifra indica il grado di protezione contro la penetrazione di liquidi.

Le custodie degli impianti elettrici (involucri o barriere) devono possedere un grado di protezione contro la penetrazione di corpi solidi e liquidi adeguato all'ambiente in cui vengono installate.

Il grado minimo di protezione per le parti in tensione deve essere almeno IP 2(cosiddetto "a prova di dito"). Le superfici superiori di custodie, involucri, o barriere orizzontali, se a portata di mano, devono avere un grado di protezione almeno IP 4, nel senso che un filo rigido del diametro di un millimetro non possa toccare parti in tensione. Nei cantieri edili, a causa delle particolari condizioni di esercizio ed esposizioni agli agenti atmosferici (usura, pozze d’acqua, danneggiamenti ….) il grado di protezione degli impianti elettrici deve essere almeno IP 55.

Gli involucri e le barriere utilizzati per la protezione contro i contatti diretti, devono essere fissati in modosicuro e devono essere asportabili solo con l'uso di un utensile.

Le parti nude in tensione sono ammesse all' interno dei quadri elettrici, che in tal caso devono avere un dispositivo di blocco sullo sportello,in modo che venga tolta tensione quando si apre il quadro, oppure devono essere chiusi a chiave e la chiave custodita da persona qualificata.

Non è ammissibile che l'addetto ad una macchina, elettricamente non addestrato, possa, o addirittura debba, accedere al quadro elettrico per operare su dispositivi di regolazione posti vicino a parti nude in tensione.

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTIINDIRETTI

La protezione contro i contatti indiretti ha lo scopo di evitare che, per il cedimento del materiale isolante, parti che normalmente non sono in tensione (e quindi non protette) assumano potenziali elettrici pericolosi per le persone che potrebbero venire in contatto con le stesse.

Dette parti vengono definite masse. Sono masse ad esempio la carcassa esterna di un motore elettrico o la struttura portante se metallica di una macchina utensile.

La protezione dalle tensioni di contatto indiretto si attua principalmente collegando ad un impianto di terra le parti metalliche dell'impianto normalmente non in tensione ed installando interruttori automatici o meglio interruttori differenziali.

In alternativa al collegamento a terra si può ricorrere all'impiego di materiali, componenti ed apparecchi dotati di doppio isolamento dichiarato dal costruttore.

IMPIANTO DI TERRA

L’impianto di terra è costituito da più dispersori (picchetti piantati nel terreno) collegati tra di loro con una treccia di rame nudo interrata. A questo anello di dispersione andranno collegate tutte le parti metalliche, a rischio di contatto, delle macchine e degli apparecchi elettrici e comunque tutte le parti metalliche, presenti nei locali, che possano andare in tensione. Tutte le prese di corrente devono avere il polo di messa a terra.

Il conduttore che collega i poli delle prese e le parti metalliche all'impianto di terra è chiamato: conduttore di protezione. Il conduttore di protezione deve avere dimensione idonea (almeno uguale ai conduttori di fase) e deve essere sempre di colore giallo-verde.

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Dispersore per impianto di terra.

L'impianto di messa a terra deve essere realizzato a regola d'arte in modo da poter disperdere le eventuali correnti di guasto nel miglior modo possibile.

Evitare assolutamente collegamenti anomali come per esempio il collegamento del conduttore di terra di una macchina con rubinetti o altri dispersori di fortuna.

Gli impianti di messa a terra devono essere verificati prima della messa in servizio e poi periodicamente secondo le norme previste dal nuovo DPR n° 462 del 22 ottobre 2001:

- Ogni 2 anni per gli impianti installati nei cantieri, nei locali adibiti ad uso medico, negli ambienti a maggior rischio d’incendio e nei luoghi con pericolo d’esplosione.

- Ogni 5 anni negli altri casi.

La resistenza di terra deve essere innanzi tutto inferiore a 20 Ohm o comunque deve essere bassa al punto tale da far intervenire gli interruttori automatici in caso di contatto tra fase e parti metalliche.

PROTEZIONE MEDIANTE INTERRUTTORI AUTOMATICI E DIFFERENZIALI

Un buon impianto di messa a terra oltre che disperdere le correnti di guasto che si trovano sulle masse delleapparecchiature e delle macchine, deve essere in grado di far intervenire gli interruttori posti a protezione deicircuiti. Questi interruttori, detti automatici, sono indispensabili perché proteggono le linee e le macchine da ulteriori danneggiamenti in caso di guasto e possono intervenire anche in caso di contatti accidentali, purché come si èdetto, ci sia un idoneo impianto di terra.

Funzionamento degli interruttori automatici (magneto-termici)

Il funzionamento di un interruttore automatico si basa sul riscaldamento dei conduttori che la corrente elettrica provoca al passaggio. Un dispositivo, chiamato sganciatore termico, provoca l'intervento dell'interruttore, quando è percorso da una corrente superiore a quella per cui è stato tarato, tale corrente è detta corrente nominale (In). In caso di corto circuito la corrente che passa attraverso l'interruttore automatico assume quasi istantaneamente valori elevati in grado di far intervenire lo sganciatore termico (vedi fig. 10a).

In caso di difetto di isolamento e quindi con dispersione di corrente verso la carcassa dell' utilizzatore, lo sganciatore termico interverrà solo quando la corrente di guasto avrà raggiunto il valore per il quale è stato tarato, nel caso di figura 10b, 20 Ampère.

Quindi correnti pericolose per l'uomo possono permanere per un intervallo di tempo piuttosto lungo sullacarcassa dell' utilizzatore.

Da quanto sopra emerge che l'interruttore automatico non costituisce certo una buona protezione contro i contatti indiretti.

INTERRUTTORI DIFFERENZIALI

Un particolare tipo di interruttore automatico è l'interruttore differenziale (detto anche: salvavita, elettro-stop, parascossa, life protector) che è ormai oggi di uso universale e che deve essere sempre utilizzato almeno come interruttore generale.

Le ragioni del successo dell'interruttore differenziale stanno nella sua velocità e sensibilità di intervento, con conseguente notevole riduzione della pericolosità dei contatti diretti e indiretti.

Funzionamento dell'interruttore differenziale

Nel funzionamento normale,di un apparecchio elettrico,la corrente che passa nel conduttore in entrata è uguale a quella del conduttore in uscita. In caso di guasto,si crea una corrente di dispersione verso terra, quindi la corrente in entrata sarà diversa da quella in uscita. Un particolare meccanismo detto trasformatore differenziale sente questa differenza e provoca l' apertura dell'interruttore. Correnti di guasto di piccolissima intensità (10 mA), sono in grado di far intervenire l'interruttore differenziale, a differenza del normale interruttore magneto-termico, che interviene solo in caso di corto circuito o di sovraccarico.

Schema d’interruttore differenziale

Esistono particolari situazioni nelle quali la protezione offerta dall'interruttore differenziale può essere parzialmente o completamente compromessa.

Il caso più noto, anche se forse il meno probabile, può capitare quando una persona isolata da terra viene acontatto con tutte e due le fasi del circuito. In questo caso il corpo umano è inserito nel circuito elettrico comeun normale apparecchio utilizzatore, quindi la corrente in entrata è uguale a quella in uscita, per cui iltrasformatore differenziale non può intervenire.

PROTEZIONE MEDIANTE DOPPIO ISOLAMENTO

Ogni apparecchio elettrico è dotato di un isolamento tra le parti in tensione e le parti metalliche accessibili. A tale isolamento che è necessario, sia per il funzionamento dell'apparecchio che per la protezione delle persone, si da' il nome di isolamento funzionale.

Il pericolo di contatti indiretti deriva dai cedimenti che l’isolamento funzionale può occasionalmente presentare. Per ovviare a questo inconveniente si può predisporre un secondo isolamento, in modo che un guasto all'isolamento principale non abbia conseguenze per le persone. Questo secondo isolamento prende il nome di isolamento supplementare o di protezione.

Gli apparecchi dotati anche di questo isolamento supplementare sono denominati a doppio isolamento o apparecchi di classe II.

Questi apparecchi non necessitano del collegamento a terra e sono riconoscibili perché riportano su di una targhetta il simbolo del doppio quadrato.

Il doppio isolamento è richiesto per gli apparecchi elettrici mobili e portatili, perché considerati più pericolosi degli apparecchi fissi, in quanto: l'operatore è a continuo stretto contatto con l'involucro esterno, le mani sudate diminuiscono la resistenza del corpo umano e, contratte nelle sforzo,per sostenere e guidare l'apparecchio, sono facile preda della tetanizzazione.

Le prese a spina di questi circuiti non devono essere intercambiabili con quelle a tensione normale e non devono essere munite del contatto di terra. Simbolo del trasformatore di sicurezza

I circuiti alimentati a bassissima tensione di sicurezza devono essere separati dagli altri sistemi elettrici e non devono avere il collegamento di messa a terra perché questo collegamento potrebbe portare, in caso di guasto, tensioni elevate sul sistema.

BASSISSIMA TENSIONE DI SICUREZZA

Un altro sistema di protezione contro gli infortuni elettrici consiste nell' utilizzare tensioni talmente basse (max 5O volt in corrente alternata) da non costituire pericolo per le persone che ne vengano a contatto.

Tensioni basse si possono ricavare utilizzando apparecchi quali ad esempio autotrasformatori, potenziometri, dispositivi elettronici ecc.., ma perché una tensione bassa possa essere considerata anche di sicurezza, essa deve provenire da una sorgente di sicurezza come ad esempio un trasformatore a doppio isolamento o di sicurezza, un piccolo gruppo elettrogeno o una batteria di accumulatori.

I sistemi che rispondono a queste caratteristiche si dicono a bassissima tensione di sicurezza.