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Fondazione Ingegneri Veneziani

Studio Associato Rinaldi e Bedin

LINEAMENTI DI IMPIANTI ELETTRICI

La Sicurezza negli Impianti Elettrici

Ing. Raoul Bedin



SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICI

ELETTROFISIOLOGIA

• Le cellule del sistema nervoso e del tessuto muscolare sono eccitabili sotto l’azione di un potenziale elettrico.

• Le cellule stesse presentano una differenza di potenziale NEGATIVA rispetto all’esterno (sistema nervoso centrale nei mammiferi = - 70 mV)

Tratta da “Fondamenti di sicurezza elettrica” - Carrescia




ELETTROFISIOLOGIA

La cellula viene eccitata (potenziale di azione) applicando un impulso di corrente (di polarità inversa) di durata e ampiezza adeguati

Tratte da “Fondamenti di sicurezza elettrica” - Carrescia




ELETTROFISIOLOGIA

• Dalla curva di eccitabilità si può desumere che la cellula è in prima approssimazione sensibile alla quantità di carica elettrica (I x t)

• L’ampiezza del potenziale di azione non è proporzionale all’intensità dello stimolo, ma segue la legge del tutto o nulla (quiete – eccitamento)

• La curva di eccitabilità si riferisce a stimoli sufficientemente distanziati nel tempo. Si possono definire il:

• periodo di refrattarietà assoluta: periodo di tempo seguente l’inizio dell’eccitamento durante il quale la cellula non risponde a ulteriori stimoli, quale che sia lo loro intensità

• periodo di refrattarietà relativa: periodo di tempo seguente il periodo di refrattarietà assoluta durante il quale la cellula risponde secondo una curva di eccitabilità superiore

• periodo refrattario: periodo somma del periodo di refrattarietà assoluta e relativa

• Accomodazione: se uno stimolo dura più a lungo del periodo refrattario la cellula si adatta alla nuova situazione e aumenta la soglia di eccitabilità




EFFETTI FISIOPATOLOGICI

• Tetanizzazione: uno stimolo elettrico di intensità e durata appropriate applicato ad una fibra nervosa si propaga lungo la stessa fino al muscolo. Sotto l’azione dello stimolo il muscolo si contrae per poi tornare allo stato di riposo.

• Illustrazione c): contrazione tetanica

• Illustrazione d): tetano fuso






• Arresto della respirazione: il passaggio della corrente determina una contrazione dei muscoli addetti alla respirazione o una paralisi dei centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria.

• Fibrillazione ventricolare: le fibre muscolari del cuore si contraggono ritmicamente per effetto dell’azione del nodo senoatriale posto nella parte superiore dell’atrio destro. Se vengono sollecitate anche da correnti di origine esterna le stesse risultano sovrastimolate in modo caotico e iniziano a contrarsi in modo disordinato. Il cuore non è più in grado di svolgere la sua funzione.

• Ustioni: al passaggio di corrente nel corpo umano si sviluppa calore per effetto Joule. Le ustioni peggiori (marchio elettrico) si hanno sulla pelle (resistività superiore ai tessuti interni). Le ustioni da folgorazione sono caratteristiche perché profonde.





• Tetanizzazione: reversibile

• Arresto della respirazione: reversibile

• Fibrillazione ventricolare: IRREVERSIBILE

• Ustioni: reversibile

La reversibilità dell’arresto respiratorio e delle ustioni è evidentemente condizionate dalla loro gravità.

La fibrillazione ventricolare può essere reversibile sotto l’azione di un DEFIBRILLATORE. Fondamentale il tempo di intervento: dopo circa tre minuti di inattività il muscolo cardiaco e il tessuto cerebrale subiscono danni irreparabili; il tempo utile può essere prolungato facendo ricorso a massaggio cardiaco e respirazione bocca e bocca.




LIMITI DI PERICOLOSITA’ DELLA CORRENTE ELETTRICA

Tratte da “Norma CEI 64-18:2011Fino alla curva b: scossa elettrica Oltre la curva b: shock elettrico





Tratte da “Norma CEI 64-18:2011

Fino alla curva b: scossa elettrica Oltre la curva b: shock elettrico





• La pericolosità della corrente DIMINUISCE all’aumentare della frequenza a causa del minor contenuto energetico di ogni singolo impulso

• Fattore di frequenza Ff : fattore per cui va moltiplicato il minimo valore di corrente che produce un determinato fenomeno a 50/60 Hz per ottenere tale valore alla frequenza desiderata.

• A f = 1 kHz tale fattore vale circa 1,6 per quanto riguarda la tetanizzazione e 15 per quanto riguarda la fibrillazione ventricolare

• Dato che la pericolosità diminuisce in corrente continua e al crescere della frequenza, il campo delle frequenze di rete (50/60 Hz) è proprio IL PIU’ PERICOLOSO PER L’UOMO





• Fattore di percorso F: permette il calcolo delle correnti Ih in percorsi diversi da quello mano sinistra - piedi.

Tratta da “Norma CEI 64-18:2011

Ih= Iref/F




RESISTENZA ELETTRICA DEL CORPO UMANO

• L’uomo presenta un’impedenza elettrica ZT somma dell’impedenza interna Zi

e dell’impedenza della pelle nel punto (convenzionale) di ingresso Zs1 e di uscita Zs2.


• Alla frequenza di rete le capacità possono essere trascurate, la loro influenza si fa sentire alle frequenze più elevate

• L’impedenza ZT diminuisce all’aumentare delle tensioni applicate

• Il valore di ZT dipende molto da:

• percorso interno della corrente (Zi)

• superficie di contatto (ridotta, estesa) e sue condizioni (asciutta, bagnata, presenza di sudorazione, ecc.) (Zs)





In ambito impiantistico si fa riferimento alla RESISTENZA del CORPO UMANO che viene indicata con il simbolo RB e alla quale viene, quando necessario, attribuito il valore convenzionale (e prudenziale) di 1 kΩ.

Nelle situazioni più comuni di contatto con parti in tensione la persona ha in serie verso terra una resistenza, costituita dalla resistenza delle calzature, della pavimentazione, di eventuali guanti isolanti, ecc., definita come RESISTENZA verso terra del CORPO UMANO, a cui è stato attribuito il simbolo di REB e i valori (sempre prudenziali) di 1 kΩ e di 200 Ω.






Le curve di pericolosità corrente-tempo vengono tradotte, ai fini operativi, in curve tensione-tempo.

La curva “Condizioni particolari” si riferisce a:

• Cantieri di costruzione e demolizione

• Strutture ad uso agricolo o zootecnico (limitatamente ai luoghi di custodia del bestiame)

• Locali ad uso medico (limitatamente ai locali di gruppo 1 e gruppo 2)




SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICICONTATTI DIRETTI E INDIRETTI

DEFINIZIONI SUI CONTATTI:

CONTATTO DIRETTO

Contatto con una parte NORMALMENTE IN TENSIONE (ad es.: conduttore privo di isolamento)

CONTATTO INDIRETTO

Contatto con una parte conduttrice NORMALMENTE NON IN TENSIONE andata in tensione a causa di un guasto di isolamento (ad es.: carcassa metallica di un’apparecchiatura)





CONTATTI DIRETTI E INDIRETTI

DEFINIZIONI SUI CONTATTI:

Il contatto indiretto presenta in genere un rischio superiore al contatto diretto per due motivi:

• nel caso di contatti con parti normalmente in tensione la persona è generalmente più cauta

• nel caso di contatto diretto la persona può subire un danno solo se tocca il punto di guasto (cioè dove l’isolamento ha ceduto), mentre nel caso di contatto indiretto è sufficiente il contatto in un punto qualsiasi della superficie conduttrice





PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI DIRETTI

Le misure di protezione contro i contatti diretti possono essere TOTALI o PARZIALI. Le misure di protezione TOTALI sono destinate alla protezione delle persone elettricamente non addestrate, mentre le misure di protezione PARZIALI sono destinate alla protezione delle persone elettricamente addestrate e sono quindi consentite solo nelle aree elettriche chiuse (cabine elettriche secondarie e primarie, stazioni elettriche, ecc.).

MISURE DI PROTEZIONE TOTALI

• isolamenti

• involucri, barriere

MISURE DI PROTEZIONE PARZIALI

• ostacoli

• distanziamento




PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI

I METODI DI PROTEZIONE previsti dalla Norma sono:

• Interruzione automatica del circuito in caso di guasto (pressoché sempre presente)

• Doppio isolamento (integrativo)

• Locali isolanti (raro)

• Locali equipotenziali (raro)

• Sistemi in bassissima tensione SELV-PELV-FELV, validi anche per la protezione contro i contatti diretti (integrativi)




TERRENO CONDUTTORE ELETTRICO

La corrente che fluisce attraverso il corpo umano si chiude generalmente attraverso il TERRENO, che è un CONDUTTORE ELETTRICO.

Se si immerge nel terreno un elettrodo (DISPERSORE) la corrente che esso disperde incontra una resistenza RE (RESISTENZA DELL’IMPIANTO DI TERRA) che risulta sostanzialmente proporzionale a:

• resistività ρ del terreno

• caratteristiche geometriche (dimensioni, forma) del dispersore

La resistenza RE è formata dagli strati di terreno fino ad una distanza teoricamente infinita dal dispersore stesso (Punto a potenziale zero; Terra di riferimento o lontana); in realtà il suo valore dipende dagli strati di terreno più prossimi alla superficie disperdente.



SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICITERRENO CONDUTTORE ELETTRICO

CASO DELL’ELETTRODO EMISFERICO IN TERRENO IDEALE

Dall’analisi di questo caso si possono trarre indicazioni sostanzialmente valide per i dispersori reali. Per terreno ideale si intende terreno perfettamente omogeneo con resistività costante in tutte le direzioni in modo che non ci sia una direzione preferenziale per la corrente.

Considerata ρ la resistività del terreno in tutti i suoi punti e r0 il raggio dell’emisfera che costituisce il dispersore, la resistenza di terra RE vale:



SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICITERRENO CONDUTTORE ELETTRICO

CASO DELL’ELETTRODO EMISFERICO IN TERRENO IDEALE

Se I è la corrente dispersa dall’elettrodo il potenziale UE (TENSIONE TOTALE di TERRA) che assume il dispersore e il potenziale U che assume il terreno ad una distanza r dal dispersore valgono:





TENSIONI DI CONTATTO

UE (Tensione Totale di Terra): tensione che si stabilisce a seguito di un cedimento dell’isolamento fra masse e un punto sufficientemente lontano a potenziale zero.

UT (Tensione di Contatto): tensione che si stabilisce fra parti conduttrici simultaneamente accessibili in caso di guasto dell’isolamento quando queste vengano toccate.

UST (Tensione di Contatto a Vuoto): tensione che si stabilisce fra parti conduttrici simultaneamente accessibili in caso di guasto dell’isolamento quando queste non vengano toccate.

UL (Tensione di Contatto Limite Convenzionale): massimo valore della tensione di contatto a vuoto che è possibile mantenere per un tempo indefinito.


UL = 50 V in c.a. e 120 V in c.c. in CONDIZIONI ORDINARIE

UL = 25 V in c.a. e 60 V in c.c. in CONDIZIONI PARTICOLARI



SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICITENSIONI DI CONTATTO

UE: Tensione Totale

di Terra

UT: Tensione di Contatto





UE: Tensione Totale

di Terra

UST: Tensione di Contatto a Vuoto

UT: Tensione di Contatto





TENSIONI DI CONTATTO

EU

STU

TU ≤≤

IN CONCLUSIONE SI HA SEMPRE:

E’ grazie all’impianto di terra che UST è inferiore a UE nei punti di potenziale contatto (molto importante è la geometria dello stesso).

E’ grazie alla resistenza della pavimentazione e/o delle calzature che UT è inferiore a UST.




DEFINIZIONI RELATIVE ALLA PROTEZIONE CONTRO LE TENSIONI DI CONTATTO

ISOLAMENTI

ISOLAMENTO FUNZIONALE: isolamento fra la parti attive (fase-neutro, fase-fase, ecc.) necessario al funzionamento delle apparecchiature.

ISOLAMENTO PRINCIPALE: isolamento delle parti attive necessario alla protezione delle persone contro la folgorazione.

ISOLAMENTO SUPPLEMENTARE: secondo isolamento sovrapposto all’isolamento principale per migliorare la sicurezza delle persone contro la folgorazione.

DOPPIO ISOLAMENTO = ISOLAMENTO PRINCIPALE + ISOLAMENTO SUPPLEMENTARE






APPARECCHIATURE

APPARECCHIATURA DI CLASSE I:apparecchiatura dotata di isolamento principale e di morsetto per il collegamento a terra delle masse.

APPARECCHIATURA DI CLASSE II: apparecchiatura dotata di doppio isolamento e priva di morsetto per il collegamento a terra delle masse.





MASSA: parte conduttrice, facente parte dell’impianto elettrico, che può essere toccata e che non è in tensione in condizioni ordinarie di isolamento, ma che può andare in tensione in caso di cedimento dell’isolamento principale.

MASSA ESTRANEA: parte conduttrice non facente dell’impianto elettrico in grado di introdurre un potenziale, generalmente il potenziale di terra.

PARTE INTERMEDIA: parte conduttrice, facente parte dell’impianto elettrico, che può andare in tensione in caso di cedimento dell’isolamento principale, interna ad un apparecchio ed accessibile solo dopo aver rimosso un involucro saldamente fissato, in genere rimovibile con l’uso di un attrezzo.





CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI

SISTEMI ELETTRICI (CASO TT):

Le utenze elettriche sono alimentate dal distributore in bassa (BT) o in media tensione (MT) (eccezionalmente in alta tensione) in dipendenza della potenza richiesta. Le apparecchiature elettriche sono però, quasi sempre, in bassa tensione.

In Italia ciascun utente alimentato in BT deve collegare le masse delle apparecchiature al proprio impianto di terra, che è distinto ed indipendente da quello della cabina elettrica del Distributore. Questa soluzione tecnica viene riepilogata nella sigla TT.

In caso di guasto a terra la corrente percorre i conduttori di fase dalla cabina fino all’apparecchiatura in guasto e si richiude nuovamente nella cabina del distributore attraverso i due impianti di terra.

CARATTERISTICHE SALIENTI DELLA SITUAZIONI DI GUASTO:

• la massa in guasto si porta ad una tensione di solito di poco inferiore a quella di alimentazione (circa 200 V)

• quale che sia la massa in guasto, questa assume una tensione che dipende solo dalla resistenza dell’impianto di terra proprio e di quella del Distributore; è quindi uguale per tutte la masse

• quando una massa va in guasto anche tutte la masse sane collegate allo stesso impianto di terra si portano alla stessa tensione

• la corrente di guasto presenta un’intensità non molto elevata (da qualche ampere a qualche decina di ampere)





SISTEMI ELETTRICI (CASO TN):

Quando le utenze elettriche sono alimentate dal distributore in media tensione (MT) l’utente deve provvedere a ricavare il sistema di BT mediante una cabina di trasformazione.

In questo caso l’utente collega le masse delle apparecchiature al proprio impianto di terra che quasi sempre coincide con quella della cabina di trasformazione. Questa soluzione tecnica viene riepilogata nella sigla TN.

In caso di guasto a terra la corrente percorre i conduttori di fase dalla cabina fino all’apparecchiatura in guasto e si richiude nuovamente nella cabina del distributore attraverso il conduttore di protezione (PE).

In sostanza, mentre nel sistema TT la corrente circola nel terreno, nel sistema TN circola solo su conduttori metallici.

CARATTERISTICHE SALIENTI DELLA SITUAZIONI DI GUASTO:

• la massa in guasto si porta ad una tensione di solito che non è univocamente determinabile come nel caso TT, ma che in ogni caso è grosso modo compresa fra i 100 e i 150 V

• anche la situazione delle masse sane non è univocamente determinabile; in dipendenza del collegamento al conduttore PE il loro potenziale può rimanere nullo od assumere valori fino a quello della massa in guasto

• la corrente di guasto presenta un’intensità piuttosto elevata (da qualche centinaio di ampere a qualche migliaio di ampere)





SISTEMI ELETTRICI:

La pericolosità di un sistema elettrico per le persone non dipende dall’intensità della corrente di guasto che circola, ma dal livello delle tensioni sulle masse.

Quindi i sistemi TT e TN hanno una pericolosità per le persone simile.

In entrambi i casi deve essere previsto un SISTEMA DI PROTEZIONE.

INTERRUZIONE AUTOMATICA DEL CIRCUITO IN CASO DI GUASTO





Il metodo segue criteri applicativi differenziati per i sistemi TT e per i sistemi TN:

TT (utenze di potenza in genere < 200 kW) TN (utenze di potenza in genere ≥ 200 kW)






SISTEMA TT

• Coordinamento fra dispositivo di protezione e impianto di terra

• Data la ridotta intensità della corrente di guasto è obbligatorio l’utilizzo dell’interruttore differenziale, perché sensibile alle correnti di dispersione e non alle correnti di carico

LdnEUIR ≤⋅






SISTEMA TN

• Dato che il guasto a terra di fatto è un cortocircuito fra la fase in guasto e il conduttore PE è adeguato alla protezione anche l’interruttore magnetotermico (sensibile alla corrente di carico), benché sia di gran lunga consigliabile l’utilizzo dell’interruttore differenziale

0UIZ

aS≤⋅



SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICIINTERRUTTORI MAGNETOTERMICI E DIFFERENZIALI




INTERRUTTORI DIFFERENZIALI

Tipo AC

Sensibili alla sola corrente di dispersione alternata

Tipo A

Sensibili alla corrente di dispersione alternata e anche alle correnti unidirezionali pulsanti

Tipo B

Sensibili alla corrente di dispersione alternata, alle correnti unidirezionali pulsanti e anche alle correnti continue




IMPIANTI DI TERRA

Un impianto di terra è costituito da:

• conduttori di protezione (PE)

• conduttori equipotenziali principali (EQP)

• conduttori equipotenziali supplementari (EQS)

• collettore di terra

• conduttore di terra

• dispersore





IMPIANTI DI TERRA

I principali tipi di dispersori intenzionali sono:

• orizzontali (tondi o corde)

• verticali (picchetti)


DISPERSORI

• INTENZIONALI: posti nel terreno al solo fine di disperdere corrente

• NATURALI o DI FATTO: corpi metallici interrati ad altri fini ma che possono contribuire a realizzare il collegamento elettrico con la terra

• DISPERSORE DI FONDAZIONE: viene utilizzato un dispersore di fatto (armatura metallica di fondazione), attribuendogli le caratteristiche elettriche e meccaniche necessarie ad un dispersore

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