principios de las instalaciones y la seguridad electrica

Michele Scarpiniti Principi di Impiantie Sicurezza Elettrica

MICHELE SCARPINITI

Principi di Impianti e Sicurezza ElettricaVersione 1.2

Dipartimento INFOCOMUniversit di Roma La Sapienzavia Eudossiana 18, 00184 Roma

PRINCIPI DI IMPIANTI E SICUREZZAELETTRICA

Premessa

La seguente dispensa rivolta agli studenti di Elettrotecnica del corso di laureain Ingegneria della Sicurezza della Facolt di Ingegneria dellUniversit degli studidi Roma La Sapienza.

Questo lavoro non ha la pretesa di essere un testo esauriente sugli Impianti Elet-trici o sulla Sicurezza Elettrica, ma costituisce solamente un ausilio e completamentoalle lezioni da me svolte durante lanno accademico 2008-2009.

Roma, 30 Aprile 2009

Michele Scarpiniti

Versione 1.2, ultimo aggiornamento: 27 maggio 2014

v

Indice

Premessa vii

1 Introduzione 11.1 Sistemi elettrici in alternata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Livelli di tensione nei sistemi elettrici . . . . . . . . . . . . . 3

2 La Produzione di Energia Elettrica 52.1 Tipi di centrali elettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Centrali idroelettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Centrali termoelettriche a combustibile fossile . . . . 82.1.3 Centrali elettronucleari . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.4 Centrali geotermiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.5 Centrali mareomotrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.6 Centrali eoliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.7 Centrali solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.8 Altre forme di generazione . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Linee elettriche di potenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1 Linee elettriche di trasporto o trasmissione . . . . . . 132.2.2 Linee elettriche di distribuzione . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Stazioni e cabine di trasformazione . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Il Trasporto dellEnergia Elettrica 153.1 Linee aeree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2 Linee in cavo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3 Schemi equivalenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.1 Schema della linea in continua . . . . . . . . . . . . . 193.4 Topologia delle linee elettriche di potenza . . . . . . . . . . . 193.5 Caduta di tensione sulla linea . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

vii

3.6 Comportamento termico delle linee . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Componenti dei Sistemi Elettrici 254.1 Sovratensioni e sovracorrenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1.1 Sovratensioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.1.2 Sovracorrenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2 Apertura e chiusura dei circuiti elettrici . . . . . . . . . . . . 264.3 Interruttori di potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.4 Sezionatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4.1 Interruttore di manovra . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.4.2 Teleruttori o contattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.5 Rel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.5.1 Rel elettromagnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.5.2 Rel differenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.5.3 Rel termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.6 Interruttori automatici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.6.1 Interruttore differenziale (salvavita) . . . . . . . . . . 344.6.2 Interruttore magnetotermico . . . . . . . . . . . . . . 35

4.7 Fusibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.8 Isolatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.9 Scaricatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5 Sicurezza negli Impianti Elettrici 395.1 Infortunio elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.1.1 Limiti di corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.1.2 Limiti di tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.2 Contatti diretti e indiretti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.2.1 Protezione contro i contatti diretti . . . . . . . . . . . 425.2.2 Protezione contro i contatti indiretti . . . . . . . . . . 43

5.3 Impianto di terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.4 Elementi dellimpianto di terra . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.4.1 Il dispersore di terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.5 Tensioni e resistenza di terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6 Impianti Elettrici Utilizzatori 496.1 Impianti utilizzatori in bassa tensione . . . . . . . . . . . . . 496.2 Sistema TT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.2.1 Sicurezza e protezione nei sistemi TT . . . . . . . . . 516.3 Sistema TN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.3.1 Sicurezza e protezione nei sistemi TN . . . . . . . . . 536.4 Sistema IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.4.1 Sicurezza e protezione nei sistemi IT . . . . . . . . . . 556.5 Impianti elettrici in luoghi speciali . . . . . . . . . . . . . . . 56

7 Normativa Elettrica 577.1 Norme giuridiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7.1.1 Testo unico sulla sicurezza sul lavoro: il D.Lgs. 9 aprile2008, n. 81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.2 Le Norme CEI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Bibliografia 73

1Introduzione

LA produzione di energia elettrica rappresenta il primo passaggio nelprocesso che conduce alla distribuzione dellelettricit allutilizza-tore finale. Le altre due fasi che compongono il processo sono latrasmissione dellenergia e la sua distribuzione. Tutta la societ modernasi basa sul consumo di energia, per fare qualsiasi attivit necessitiamo diqualche forma di energia. Tra tutte le forme di energia quella pi versatile sicuramente lenergia elettrica, infatti essa pu essere trasformata e traspor-tata in maniera abbastanza semplice. Una volta prodotta lenergia elettricapu essere facilmente convertita in movimento, luce e calore.

Un fondamentale vantaggio dellenergia elettrica rispetto alle altre formedi energia, costituito, oltre che dalla sua versatilit, dalla facilit di distri-buzione capillare nel territorio. Per contro lenergia elettrica non pu essereaccumulata in modo economicamente e tecnologicamente vantaggioso, nin forma elettrostatica, n in forma magnetica. Quindi la potenza elettri-ca richiesta in ogni istante dalle utenze deve essere contemporaneamentegenerata.

Ladeguamento della potenza generata a quella richiesta viene semplifi-cato interconnettendo il pi possibile le utenze, in modo che le variazionedelle singole potenze richieste si compensino, per dare luogo ad un an-damento temporale della domanda complessiva pi regolare. Risultanoin tal modo interconnesse anche le centrali di generazione cosicch cia-scuna di essa pu fornire potenza nel modo tecnicamente ed economica-mente pi idoneo alle sue caratteristiche e risulta inoltre possibile metteretemporaneamente fuori servizio una centrale senza interruzioni di servizio.

Un sistema elettrico nazionale, ottenuto da questa interconnessione,possiede una struttura molto complessa. Esso risulta anche collegato aisistemi elettrici delle nazioni confinanti. Cos il sistema elettrico italiano di-rettamente interconnesso con quelli di Francia, Svizzera, Austria e Slovenia.Gli elementi di un sistema elettrico nazionale sono:

1

2 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

centrali elettriche di generazione, ove si produce lenergia elettrica;

linee elettriche di potenza, che interconnettono centrali di generazio-ne, nodi intermedi del sistema e utenze finali;

stazioni di trasformazione e cabine di trasformazione che, site neinodi intermedi, interconnettono le diverse sezioni del sistema;

utenze (agricoltura, industria, artigianato, commercio, servizi, traspor-ti, illuminazione pubblica, scuole, ospedali, abitazioni,...) variamentee diffusamente distribuite sul territorio.

La parte del sistema relativa alla generazione e alla distribuzione dellenergiaelettrica appartiene (ed gestita) agli enti erogatori o distributori. In Italiaquesto ruolo svolto in gran parte dallENEL S.p.A.

1.1 Sistemi elettrici in alternata

Nel sistema elettrico nazionale sono presenti tensioni nominali tra loro diverse,poich i generatori elettromeccanici delle centrali di generazione funzionanocon tensioni elevate di qualche kilovolt, mentre le linee elettriche richiedonotensioni elevatissime di decine o centinaia di kilovolt. Le grandi e grandissi-me utenze (industriali) sono alimentate a tensioni che vanno dalle decinealle centinaia di chilovolt; invece le piccole e medie utenze (residenziali,artigianali, commerciali) hanno tensioni nominali di qualche centinaio divolt.

La corrente alternata (c.a.) permette di realizzare ladeguamento tra ilivelli di tensione dei diversi elementi per mezzo dei trasformatori di potenza,siti nelle stazioni e cabine di trasformazione. Invece nei sistemi in correntecontinua (c.c.) ladeguamento pu essere realizzato mediante luso di con-vertitori statici, che sono pi complessi e costosi dei trasformatori di potenza,sia in termini di investimento che di esercizio.

Inoltre nella generazione dellenergia elettrica gli alternatori risultano piaffidabili e robusti delle dinamo, perch privi di collettore, organo delicato esoggetto a rapida usura. Per il medesimo motivo il motore asincrono, semplicee robusto, generalmente preferito al motore in continua nella produzione dilavoro meccanico da parte delle utenze industriali e non. Questi vantaggidelle macchine in alternata sulle equivalenti in continua sono tuttora moltomarcati, ma lo erano ancora di pi allinizio del secolo, quando i sistemielettrici si diffusero. Per questi motivi tutti i sistemi elettrici nazionali sonoin corrente alternata e le apparecchiature e i carichi sono conseguentementeprogettati per essere alimentati in corrente alternata. I sistemi nazionali sonosempre trifasi, per i vantaggi tecnici ed economici che presentano sui sistemimonofasi: lalimentazione delle piccole utenze monofasi viene realizzata

1.2. LIVELLI DI TENSIONE NEI SISTEMI ELETTRICI 3

tra fase e neutro di un sistema trifase (in Italia a 220 V, essendo la tensioneconcatenata pari a 380 V (220 380/3)).

Esistono comunque anche impianti di potenza in corrente continua: dueesempi importanti e diffusi nel tempo sono costituiti dai sistemi di trazione(sistema ferroviario) e dai collegamenti sottomarini di potenza.

1.2 Livelli di tensione nei sistemi elettrici

Un sistema elettrico nazionale in corrente alternata presenta una successionedi livelli di tensione, come schematicamente rappresentato in Figura 1.1. Ilivelli tipici di queste tensioni sono indicati in Tabella 1.1.

Fig. 1.1: Rappresentazione dei livelli di tensione: G = generatori; ST = Stazionidi trasformazione; CP = Cabine primarie; CS = Cabine secondarie.

Fasce di tensione Tensioni nominali

BT: bassa tensione U 1000 VMT: media tensione 1 < U 30 kVAT: alta tensione 30 < U 132 kVAAT: altissima tensione U > 132 kV

Tabella 1.1: Classificazione di uso corrente dei livelli di tensione.

Peraltro la normativa tecnica italiana (Norme CEI 11-1 e CEI 64-8/1) classifi-ca i livelli di tensione dei sistemi elettrici nelle quattro categorie indicate inTabella 1.2.

I livelli di tensione utilizzati nel sistema elettrico nazionale italiano sonoin gran parte unificati, al fine di ridurre le scorte di ricambi e di semplificareed economizzare gli interventi di manutenzione, modifica e ampliamento. Ilivelli unificati sono: 380 kV, 132 kV, 20 kV e 380 V.

I vari sottosistemi del sistema elettrico nazionale presentano valori effi-caci di tensione che si scostano di pochi percento rispetto ai valori nominali,in modo da assicurar il corretto funzionamento delle utenze stesse. Ancorapi rigoroso il controllo della frequenza comune a tutti i sistemi nazionali

4 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

Categoria Tensioni alternate Tensioni continue

0 U 50 V U 120 V1 50 < U 1000 V 120 < U 1500 kV2 1 < U 30 kV 1, 5 < U 30 kV3 U > 30 kV U > 30 kV

Tabella 1.2: Classificazione secondo la normativa italiana dei livelli di tensione.

interconnessi, che di 50 Hz in Europa e 60 Hz in America (frequenza indu-striale). Ad esempio ENEL S.p.A. garantisce le forniture in bassa tensione a380 V 10% alla frequenza di 50 Hz 2%.

2La Produzione di Energia Elettrica

LE centrali elettriche di generazione (o di produzione o semplicementecentrali elettriche) nella quasi totalit dei casi realizzano la conversio-ne elettromeccanica, utilizzando quasi esclusivamente generatorisincroni (alternatori), con tensioni nominali dellordine della decina di chilo-volt. Sistemi di regolazione garantiscono che il valore efficace della tensionegenerata si mantenga costante al variare delle condizioni di carico, cio alvariare della domanda da parte delle utenze.

Il motore primo che trascina ciascun generatore fornendo la potenza mec-canica costituito pressoch sempre da una turbina, che pu essere idraulica,a vapore o a gas.

Una centrale pu disporre di uno o pi gruppi turbina-alternatore(turboalternatori) connessi in parallelo con livelli di potenza complessivache possono essere di decine di megawatt per le piccole centrali e superareil gigawatt per le centrali di taglia maggiore.

A valle degli alternatori posta una stazione elevatrice che adegua latensione dei generatori a quella (maggiore) della linea di trasporto alla qualela centrale connessa. Ogni centrale comprende anche una notevole quan-tit di altre apparecchiature come interruttori, sezionatori, trasformatori,sistemi di misura delle diverse grandezze, sistemi di regolazione, ecc. Linte-ro sistema comunque tenuto costantemente sotto controllo dal personaleaddetto che opera nelle sale di controllo.

Le centrali di generazione si distinguono per la fonte primaria di energiautilizzata, che condiziona la localizzazione della centrale, bench questasia anche definita in funzione dellimpatto ambientale e della distribuzioneterritoriale della domanda, essendo preferiti i siti in posizioni baricentricherispetto a regioni con forti concentrazioni di utenze. Una fondamentaleclassificazione distingue le centrali idroelettriche da quelle termoelettrichea combustibile fossile o nucleare. Importanza assai minore, per numero di

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6 CAPITOLO 2. LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA

installazioni e potenza complessiva, hanno le centrali che sfruttano altrivettori energetici (calore endogeno, energia solare, eolica, biomasse,...).

In Tabella 2.1 riportata la quantit di energia elettrica prodotta a livellomondiale nel 1997, suddivisa per tipo di centrale di generazione.

Tipi di centrali TWh %

idroelettriche e altre fonti rinnovabili 2657, 3 18, 8termoelettriche a combustibile fossile 9002, 1 63, 9elettronucleari 2392, 7 17, 0geotermiche 42, 8 0, 3produzione totale 14094, 9 100, 0

Tabella 2.1: Produzione mondiale di energia elettrica nel 1997.

2.1 Tipi di centrali elettriche

Nel seguito vengono brevemente elencate e descritte le principali tipologiedi centrali elettriche di generazione.

2.1.1 Centrali idroelettriche

Nelle centrali idroelettriche le turbine sono azionate dallenergia cinetica del-lacqua. Le centrali ad acqua fluente sfruttano lacqua di un alveo fluviale,caratterizzata da elevata portata e salto piezometrico modesto. Le centrali aserbatoio o a bacino (vedi Figura 2.1) utilizzano lacqua accumulata in unbacino idroelettrico naturale o artificiale posto a monte, che viene acceleratain condotte forzate illustrate in Figura 2.2 ove si realizzano salti piezometricipi o meno elevati. Queste ultime vengono utilizzate anche come centrali dipompaggio che, nelle ore notturne, utilizzano le macchine elettriche comemotori e le macchine idrauliche come pompe. Infatti in esse la potenza elet-trica generata da altre centrali in esubero rispetto alla domanda delle utenzeviene utilizzata per ricostituire le scorte dacqua del serbatoio a monte; talescorta viene poi utilizzata nelle ore diurne di maggior richiesta (servizio dipunta).

La localizzazione o sito di una centrale idroelettrica imposta dalla col-locazione territoriale della risorsa idrica; le centrali a serbatoio, tipicamenteposte in zone montane, sono spesso alloggiate in caverne.

Le centrali idroelettriche, in particolare quelle ad acqua fluente, hannolo svantaggio di dipendere da fattori stagionali, mitigato nelle centrali do-tate di serbatoio della possibilit di accumulo. Hanno i pregi di utilizzareun vettore energetico rinnovabile ed estremamente economico e di nonpresentare emissioni inquinanti: nazioni scarsamente popolate e dotate di

2.1. TIPI DI CENTRALI ELETTRICHE 7

Fig. 2.1: Schema di una centrale idroelettrica.

ingenti risorse idroelettriche producono in questo modo la quasi totalitdel fabbisogno elettrico. Invece in altre nazioni, tra le quali lItalia, lenergiaidroelettrica pu costituire solo una frazione minoritaria della produzionetotale. In questi casi le risorse idriche sono oramai da decenni sfruttate in-tensamente e un maggior utilizzo pu risultare in conflitto con le esigenzedi altre attivit, come quelle agricole, e/o essere inaccettabili sotto il profiloambientale. Inoltre le centrali idroelettriche non sono prive di fattori di rischioper la popolazione: si pensi al disastro del Vajont del 9 ottobre 1963 checaus oltre 2000 vittime.

Fig. 2.2: Esempio di condotte forzate.


2.1.2 Centrali termoelettriche a combustibile fossile

Le centrali termoelettriche a combustibile fossile bruciano olio minerale, carboneo gas per convertire la loro energia di legame chimico in vapore surriscal-dato e in pressione che effettua un ciclo termodinamico nel quale vengonoazionate le turbine a vapore.

Le centrali di questo tipo sono quelle di dimensione maggiore, con po-tenze elettriche che possono superare il gigawatt. Il rendimento complessivodellintero processo si aggira attualmente intorno al 40%, poich nel ciclogran parte del calore viene asportato dai sistemi di refrigerazione posti avalle delle turbine. Tale calore viene spesso disperso nellambiente, come nel-lacqua dei fiumi a grande portata, delle lagune o del mare, producendoneun modesto surriscaldamento e quindi unalterazione del nicroclima. In altricasi il calore viene ceduto allatmosfera per mezzo di torri di evaporazione.Peraltro sempre pi diffusa ladozione di impianti che sfruttano il caloredi scarto per applicazioni a bassa temperatura, come il teleriscaldamento diquartieri urbani o di serre agricole nel periodo invernale.

I fumi di combustione contengono anche polveri inquinanti. Bench icamini siano dotati di dispositivi elettrostatici per la captazione delle polveri,un loro abbattimento completo non viene mai raggiunto e quindi le centralitermoelettriche a combustibile fossile sono sempre causa di inquinamentoatmosferico, meno grave se il combustibile metano, pi grave se si trattadi carbone, perch questultimo contiene maggiori quantit di sostanzetossico-nocive e talora anche radioattive.

Limiti propri delle turbine a vapore permettono variazioni limitate dellapotenza erogata, tra il 70% e il 100% del valore nominale, con tempi carat-teristici molto maggiori di quelli delle centrali idroelettriche. Pertanto lecentrali termoelettriche sono adatte a fornire un servizio di base e a seguiresolo parzialmente le variazioni giornaliere della domanda.

Dato che la fornitura di combustibile viene preferibilmente eseguita pernave, le centrali termoelettriche sono tipicamente site in zone costiere e lun-ghi grandi fiumi navigabili. Esse richiedono comunque siti molto vasti, nonsolo per la complessit dellintero impianto, ma anche perch necessitanodi ampie aree per lo stoccaggio delle scorte di combustibile, fondamentaliper assicurare la continuit dellesercizio: una centrale termoelettrica puestendersi anche per parecchie decine di ettari (vedi Figura 2.3).

2.1.3 Centrali elettronucleari

Le centrali elettronucleari differiscono da quelle termoelettriche a combustibilefossile perch il calore viene prodotto dalle reazioni nucleari di fissionedelluranio o del plutonio allinterno del nocciolo. Il calore prodotto vienequindi ceduto ad un fluido refrigerante primario in un circuito chiuso che asua volta lo cede allacqua di un circuito secondario portandola allo stato di


Fig. 2.3: Esempio di centrale termoelettrica.

vapore. Il vapore prodotto realizza quindi un ciclo termodinamico analogoa quello delle centrali termoelettriche a combustibile fossile.

Le centrali elettronucleari devono operare a potenza praticamente co-stante, dato che le variazioni di regime del nocciolo richiedono transitorilentissimi. Si prestano pertanto a fornire esclusivamente un servizio di base.Anche le centrali nucleari sorgono su siti di vasta dimensione come si evincedallesempio riportato in Figura 2.4.

Fig. 2.4: Esempio di centrale elettronucleare.

Anche le centrali elettronucleari non sono prive di fattori di rischio, si pensiallincidente di Chernobyl del 26 Aprile 1986, anche se questa centrale erasprovvista di molti fondamentali sistemi di sicurezza passiva e attiva.

2.1.4 Centrali geotermiche

Le centrali geotermiche sono simili alle centrali termoelettriche, salvo che nonbruciano combustibili ma sfruttano il calore endogeno della terra per produrre


direttamente il vapore utilizzato nel ciclo termodinamico. Uno schema diprincipio riportato in Figura 2.5.

Fig. 2.5: Schema di funzionamento di una centrale geotermica.

Tali impianti possono quindi essere realizzati solo ove siano presenti campigeotermici, come avviene a Larderello, in Toscana.

2.1.5 Centrali mareomotrici

Le centrali mareomotrici sono analoghe alle centrali idroelettriche, salvo chesfruttano lenergia delle maree. Un esempio di questo tipo di centrale raffigurato in Figura 2.6.

Fig. 2.6: Esempio di centrale mareomotrice.

Esse possono divenire economicamente interessanti quando le fluttuazionidel livello marino assumono valori rilevanti, come avviene in Francia e inCanada, dove si verificano maree anche di 15 metri.


2.1.6 Centrali eoliche

Le centrali eoliche sfruttano lenergia del vento che captano con grandi eliche(aerogeneratori) a due o tre pale. I generatori elettrici che esse azionano dinorma sono alternatori sincroni, connessi a convertitori c.a./c.c. per caricarebatterie di accumulatori, in modo da poter garantire la continuit del servizioanche in assenza di vento. Un esempio di un sito dove sorge una centraleeolica riportata in Figura 2.7.

Fig. 2.7: Esempio di sito ospitante una centrale eolica.

Queste centrali risultano convenienti solo dove spirano venti costanti convelocit di almeno 6 m/s. Vengono impiegate soprattutto in luoghi ben ven-tilati e scarsamente abitati, dove risulta poco conveniente portare unalimen-tazione elettrica convenzionale, come ad esempio in zone montane isolateo su piccole isole. Hanno lo svantaggio di causare un forte inquinamentoacustico e di dipendere dai fattori climatici.

2.1.7 Centrali solari

Le centrali solari sfruttano lenergia della radiazione solare che convertonodirettamente in energia elettrica per mezzo di cellule fotovoltaiche, secondolo schema di principio riportato in Figura 2.8. A causa del basso rendimentoche esse offrono, solo una modesta frazione della radiazione luminosa vieneconvertita in potenza elettrica generata, che pertanto non supera qualchedecina di watt per ogni metro quadro di superficie captante, anche nellemigliori condizioni di insolazione. Quindi allo stato attuale per produrrequantit rilevanti di potenza elettrica sarebbe necessario impegnare esten-sioni di terreno improponibili. Un esempio di installazione di pannelli solari riportata in Figura 2.9.

Per questo motivo la produzione di energia elettrica per conversionedalla radiazione solare limitata a situazioni particolari (piccole utenze


Fig. 2.8: Schema di principio di una centrale solare.

domestiche, boe marine, rifugi montani, satelliti artificiali, ecc.). Le centralisolari hanno inoltre lo svantaggio di dipendere dai fattori climatici.

Fig. 2.9: Esempio di centrale solare.

2.1.8 Altre forme di generazione

Esistono ulteriori tipi di centrali di generazione, in genere capaci di produrrepiccole potenze elettriche. Tra esse possono essere considerate anche quelledi tipo termoelettrico nelle quali il calore che aziona le turbine fornito dallacombustione dei rifiuti solidi urbani e delle biomasse.

Vanno anche ricordati i gruppi elettrogeni, sempre di potenza limitata, neiquali il generatore azionato da un motore a combustione interna (in generea ciclo diesel), che trovano frequente impiego nelle applicazioni mobili e neigruppi di continuit.

2.2. LINEE ELETTRICHE DI POTENZE 13

2.2 Linee elettriche di potenze

Le linee elettriche interconnettono i componenti di un sistema elettrico dipotenza e differiscono tra loro per estensione e potenza nominale e quindianche per tensione nominale, dato che la trasmissione viene effettuata alivelli di tensione tanto pi elevati quanto maggiori sono le potenze datrasmettere e le distanze da coprire.

2.2.1 Linee elettriche di trasporto o trasmissione

Le centrali di generazione sono direttamente collegate alla rete magliatacostituita dalle linee di trasporto o trasmissione, che hanno estensioni na-zionali in AAT (380 kV) e regionale in AAT (220 kV). Si tratta di linee trifasisenza neutro (a triangolo), collegate nelle centrali di generazione e nellestazioni di trasformazione, a trasformatori di grande potenza che hanno i centristella degli avvolgimenti di AAT connessi a terra.

2.2.2 Linee elettriche di distribuzione

Le linee di distribuzione sono caratterizzate da raggi medi dei bacini diutenza pi ridotti. Possono avere strutture magliate o ad anello, ma sonoanche frequente le strutture ramificate.

Esse si distinguono a seconda del livello di tensione.

Linee di distribuzione in AT (132 kV): sono trifase senza neutro (atriangolo) e hanno struttura magliata ad estensione regionale. Nellestazioni di trasformazione sono collegate a trasformatori di grandepotenza che sono alimentati dalle linee di trasmissione in AAT e hannogli avvolgimenti secondari, lato AT, con centri stella connessi a terra.

Linee di distribuzione in MT (20 kV): sono trifase senza neutro (atriangolo) e hanno struttura ramificata ad estensione comunale o inter-comunale. Sono collegate a trasformatori di media potenza installatiin cabine primarie, che sono alimentati dalle linee di distribuzione inAT e hanno gli avvolgimenti secondari, lato MT, collegati a triangoloo a stella con centro stella isolato. Raggiungono le cabine secondarieche possono appartenere allEnte erogatore oppure ai grandi utentiindustriali e civili, per i quali prevista la fornitura MT.

Linee di distribuzione in BT (380/220 V): sono trifasi con neutro (astella) a struttura ramificata e diffusione capillare sul territorio. Sonoalimentate da trasformatori di piccola potenza installati nelle cabinesecondarie. Gli avvolgimenti possono essere a stella con centro stellaconnesso al neutro. Alimentano le piccole utenze in trifase a 380 V omonofase a 220 V.


2.3 Stazioni e cabine di trasformazione

Nelle stazioni e cabine di trasformazione si realizza la variazione dei livellidi tensione permettendo linterconnessione dei diversi sottoinsiemi:

nelle stazioni sono interconnesse le linee AAT e quelle AT; nelle cabine primarie sono interconnesse le linee AT e quelle MT; nelle cabine secondarie sono interconnesse le linee MT e quelle BT.

Esse sono provviste di trasformatori trifasi di potenza ed anche di moltealtre apparecchiature, quali componenti per la misura ed il monitoraggio(amperometri, voltmetri, wattmetri, ecc.), elementi di protezione e manovra(interruttori, fusibili, scaricatori, sezionatori, ecc.) ed anche componenti chesvolgono altre funzioni (ad esempio condensatori di rifasamento).

3Il Trasporto dellEnergia Elettrica

LA corrente elettrica trasportata nei diversi nodi attraverso le li-nee elettriche, che sono principalmente costituite da pi conduttori(fili, funi, sbarre, ecc.) mutuamente isolati, che si sviluppano paral-lelamente per interconnettere apparecchiature elettriche come generatori,trasformatori, carichi, ecc.

Trovano impiego sia nei sistemi elettrici di potenza che in quelli di segnale ein entrambi i casi si presentano in una grande variet di tipologie:

Numero di conduttori. Nei sistemi in corrente continua si impieganolinee bifilari (a due conduttori) e linee unifilari (a un conduttore); inquestultimo caso la funzione di un conduttore svolto dal terreno odallacqua. nei sistemi in corrente alternata monofase si impieganolinee bifilari, mentre nei sistemi trifase senza neutro e con neutro, siutilizzano linee a tre e quattro conduttori, rispettivamente. In ognicaso la sezione dei conduttori dipende dalla corrente nominale dellalinea.

Isolamento. Esistono linee aeree e linee in cavo. Le prime impieganoconduttori nudi, cio privi di isolamento solido, opportunamentedistanziati tra loro. Nelle seconde i singoli conduttori sono dotati diguaine isolanti. Gli spessori dei dielettrici interposti, le distanze tra ivari conduttori e gli spessori delle guaine dei cavi, dipendono dallatensione nominale della linea.

Estensioni. Le linee elettriche possono estendersi per varie centinaiadi chilometri, come avviene nei grandi elettrodotti per la trasmissionedellenergia elettrica.

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16 CAPITOLO 3. IL TRASPORTO DELLENERGIA ELETTRICA

3.1 Linee aeree

Le linee aeree trovano impiego fondamentale nei sistemi elettrici di potenzain alternata (linee aeree di trasmissione dellenergia elettrica o elettrodotti):si tratta di linee trifasi con tensioni nominali che vanno tipicamente dai 10kV ai 380 kV e in taluni casi raggiungono e superano i 1000 kV; le correntinominali possono raggiungere alcuni kA.

Si impiegano conduttori nudi con struttura a fune, sospesi mediantesupporti isolanti detti isolatori a pali o tralicci (questi ultimi sono impiegatinelle linee a tensione pi elevata), vedi Figura 3.1. Le distanze dei conduttorimutui e verso terra devono garantire la tenuta dielettrica nelle condizioniatmosferiche pi sfavorevoli. Laltezza minima da terra, a met campata tradue sostegni successivi, deve garantire lincolumit delle persone e deglianimali che transitano sotto la linea. Esistono anche limiti sulle distanzemassime tra i conduttori e verso terra, volte a contenere limpatto ambienta-le. Gli elettrodotti di maggiore potenza comprendono spesso due terne di

Fig. 3.1: Esempio di traliccio per il trasporto dellenergia elettrica.

conduttori, collegate in parallelo. oltre ai conduttori di linea generalmenteun ulteriore conduttore, detto fune di guardia, che connette fra loro le estre-mit dei tralicci metallici, equipotenziale con essi e con il terreno e serve aproteggere lelettrodo dalle fulminazioni atmosferiche.

3.2. LINEE IN CAVO 17

Le linee aeree sono anche usate nella trazione elettrica ferroviaria, me-tropolitana e tranviaria, prevalentemente in corrente continua con tensionitipicamente comprese tra 600 V e 3 kV. Per la trazione ferroviaria si ricorreanche alla corrente alternata monofase con tensione fino a 25 kV.

3.2 Linee in cavo

Nei sistemi elettrici di potenza in alternata trovano impiego linee in cavotrifasi o monofasi per tensioni fino a qualche centinaio di chilovolt e perestensioni non superiori a poche decine di chilometri.

Nei sistemi elettrici di potenza in continua, usati per i collegamentisottomarini, si utilizzano linee in cavo unifilari o bifilari, con tensioni fino aqualche centinaio di chilovolt ed estensioni anche superiori al centinaio dichilometri.

Per le guaine dei cavi si usano materiali isolanti (gomma sintetica, po-lietilene, PVC). Si ricorre a cavi unipolari affiancati lun laltro oppure a cavimultipolari nei quali i singoli conduttori, isolati tra loro, sono raccolti allin-terno di una matrice isolante che ha anche funzione meccanica. spesso icavi sono racchiusi entro una calza conduttrice che serve da schermo elettro-statico e protezione meccanica. Il tutto contenuto in unulteriore guainaisolante (vedi Figura 3.2). Grazie al loro limitato ingombro rispetto alle li-

Fig. 3.2: Schemi di cavi unipolare a); bipolare b); tripolare c) e quadripolare concalza d).

nee aeree i cavi presentano grande versatilit di istallazione mentre il loroisolamento conferisce un elevato grado di sicurezza. Esistono cavi dotati diguaine protettive adatte per istallazioni allesterno, in particolare per poseinterrate o sommerse.


3.3 Schemi equivalenti

In una linea, sia essa aerea o in cavo, si sviluppano i seguenti fenomenielettromagnetici:

dissipazione ohmica di potenza associata alle correnti dei conduttori; accumulo di energia induttiva, associata alle correnti dei conduttori; dissipazione di potenza associata alle tensioni tra i conduttori; accumulo di energia capacitiva, associata alle tensioni tra i conduttori

e verso terra.

Per effetto di tali fenomeni, in regime variabile, le tensioni tra i conduttori ele correnti non solo variano in funzione del tempo, ma in un determinatoistante possono presentare valori diversi nelle diverse sezioni della linea. Ladescrizione accurata del suo comportamento richiede quindi un modello acostanti distribuite, con cui ad ogni tratto dl vengono attribuite resistenza,induttanza, conduttanza e capacit che tengono conto dei relativi fenomenielettromagnetici.

Fig. 3.3: Modello di linea bifilare.

In una prima approssimazione pu essere adottato un modello semplifi-cato a costanti concentrati: nel caso di una linea bifilare si pu considerareil doppio bipolo di Figura 3.3, costituito dai bipoli ideali aventi parametri R,L, C e G. I primi due sono anche detti parametri longitudinali e sono associatiai fenomeni legati alla corrente dei conduttori; gli ultimi due sono dettiparametri trasversali e sono correlati alla tensione tra essi.

In realt le approssimazioni introdotte da tale modello sono tanto piaccettabili quanto pi trascurabili sono i fenomeni di propagazione elettro-magnetica che si manifestano nella linea, vale a dire quanto pi breve lalinea e quanto pi lente sono le variazioni temporali di tensioni e correnti.In particolare alla frequenza industriale di 50 Hz il modello pu ritenersiadeguato per linee di lunghezza inferiore a qualche centinaio di chilometri.

Descriviamo brevemente quali siano i valori dei parametri del modelloin Figura 3.3:

3.4. TOPOLOGIA DELLE LINEE ELETTRICHE DI POTENZA 19

Resistenza longitudinale. Per una linea bifilare di lunghezza l, co-stituita da due conduttori di resistivit e sezione S, la resitenzalungitudinale esprimibile come:

R =2l

S(3.1)

di solito vengono impiegati ottimi conduttori, come il rame ( =2 108 m) o lalluminio ( = 2, 8 108 m). Induttanza longitudinale. Per una linea bifilare di lunghezza l, costi-

tuita da due conduttori con sezione circolare di raggio r0 =S/pi,

posti a distanza h, linduttanza longitudinale esprimibile come

L =l

pi

(lnh

r0+

1

4

)(3.2)

il primo addendo in parentesi tiene conto dellinduzione esterna aiconduttori, il secondo di quella interna; mentre questultimo costante,il primo varia debolmente con h e r0.

Capacit trasversale. Per una linea bifilare di lunghezza l, costituitada due conduttori con sezione circolare di raggio r0, posti a distanzah, la capacit trasversale esprimibile come

C =pil

ln hr0r0(3.3)

La conduttanza trasversale dipende dai fenomeni dissipativi che siverificano nel dielettrico interposto tra i due conduttori. Pu esseretrascurata poich risulta sempre di modesta entit.

3.3.1 Schema della linea in continua

In regime stazionario le induttanze equivalgono a cortocircuiti e le capacita circuiti aperti, quindi per una linea bifilare in continua, lo schema equiva-lente quello riportato in Figura 3.4, derivato da quello di Figura 3.3, dovecompare solo la resistenza longitudinale R dei due conduttori, con valorepari alla (3.1). Questo modello valido anche per una linea unifilare in con-tinua, ma in questo caso va considerata la resistenza del singolo conduttoree si ha R = l/S, pari a met della (3.1).

3.4 Topologia delle linee elettriche di potenza

Una linea elettrica compresa in un sistema elettrico di potenza pu alimen-tare uno o pi carichi. In relazione alle condizioni di alimentazione dellalinea si possono presentare le seguenti topologie.


Fig. 3.4: Modello circuitale di una linea bifilare in corrente continua.

Linea a sbalzo. La linea alimentata da una sola estremit, ove vienefornita tutta la potenza assorbita dai carichi; si pu presentare soloun carico connesso allestremit opposta (Figura 3.5 a)) oppure picarichi distribuiti lungo la linea (Figura 3.5 b)). Questa la topologiapi semplice ma garantisce la minore continuit di esercizio, dato chein caso di interruzione, tutti i carichi a valle di essa rimangono privi dialimentazione.

Linea alimentata alle due estremit. Lalimentazione alle due estre-mit avviene tipicamente alla stessa tensione (Figura 3.5 c)). Tale to-pologia garantisce una buona continuit di esercizio dato che inter-rompendo la linea, tutti i carichi continuano ad essere alimentati daunestremit allaltra.

Linea ad anello. La linea chiusa su se stessa in modo da formareun anello ed alimentata in corrispondenza di una sua qualunquesezione (Figura 3.5 d)). Il comportamento analogo a quello della lineaalimentata alle due estremit.

3.5 Caduta di tensione sulla linea

I generatori che alimentano una linea di potenza applicano un livello ditensione VA pressoch costante, indipendentemente dalle condizioni dicarico. Parametro fondamentale della linea la caduta di tensione sullalinea:

V = VA Vmin (3.4)per le linee in continua VA la tensione applicata dal generatore e Vmin latensione minima applicata allutente pi sfavorito. Per le linee in alternataVA e Vmin sono valori efficaci; per le linee trifasi si fa riferimento alle tensioniconcatenate. La caduta di tensione dipende dalle caratteristiche elettrichedella linea ma anche dal numero di carichi, dalla loro dislocazione e dallepotenze che assorbono.

3.5. CADUTA DI TENSIONE SULLA LINEA 21

Fig. 3.5: Esempi di topologia di una linea elettrica: linea a sbalzo a) e b); lineaalimentata alle due estremit c); linea ad anello d).


Le linee elettriche sono dimensionate in modo tale che in ogni condizionenormale di funzionamento V sia sempre molto contenuta, entro pochipercento della tensione di alimentazione, per garantire che ai carichi sianoapplicate tensioni che si scostano di poco dalla tensione nominale. Unavalutazione sufficientemente accurata della caduta di tensione in linea puessere eseguita assumendo di conoscere le correnti assorbite dai carichi e, nelcaso di sistemi in alternata, anche i fattori di potenza cos e la loro natura.

Si consideri ora una linea bifilare a sbalzo che alimenta k carichi di po-tenza nominale Pnh (con h = 1, . . . , k) posti nelle sezioni alle distanze lAhdallestremitA ove collegato il generatore, come illustrato in Figura 3.6Ai fini del calcolo della caduta di tensione si pu assumere che la linea

Fig. 3.6: Esempio di linea bifilare a sbalzo che alimenta k carichi.

sia alimentata a tensione imposta VA, come se il generatore fosse ideale. Siapplica quindi il teorema di sostituzione ai carichi, ponendo al loro postogeneratori ideali di corrente che imprimono le loro correnti Ih e rappresen-tando i tratti di linea con le loro rappresentazioni simboliche. Si ottiene loschema equivalente di Figura 3.7. Limpedenza della linea dallestremitA

Fig. 3.7: Modello circuitale di una linea a sbalzo.

3.6. COMPORTAMENTO TERMICO DELLE LINEE 23

fino alla sezione di prelievo h-esima, vale:

ZAh =hi=1

Zi = RAh + jXAh =

(2

S+ j2Xl

)lAh (3.5)

Si consideri ora una linea bifilare alimentata alle due estremit e che alimentik carichi di potenza nominale Pnh (con h = 1, . . . , k) posti nele sezioni alledistanze lAh dallestremitA, come indicato in Figura 3.8. Anche in questo

Fig. 3.8: Esempio di linea bifilare alimentata alle due estremit che alimenta kcarichi.

caso si possono sostituire i generatori con due generatori ideali di tensionee k generatori ideali di corrente. I tratti di linea sono rappresentate dalleimpedenza Zh e il circuito equivalente riportato in Figura 3.9.

Fig. 3.9: Modello circuitale di una linea alimentata alle due estremit.

3.6 Comportamento termico delle linee

Una linea percorsa da corrente sede di dissipazione per effetto Joule, chene provoca il riscaldamento. La sovratemperatura rispetto allambienteproduce uno scambio termico per convenzione ed irraggiamento, cos latemperatura della linea sale fino a raggiungere lequilibrio termico.

Linee aeree. In una linea aerea realizzata con conduttori privi diisolamento, le dissipazioni sono in genere tali da comportare unsovrariscaldamento modesto.


Linee in cavo. Lisolamento peggiora lo scambio termico con lam-biente e impone di limitare la temperatura massima onde prevenireil danneggiamento. Per questo motivo i costruttori forniscono tabelleche indicano, per ogni tipo di cavo e per ogni sezione normalizzata S,la corrente massima in regime permanente, detta portata del cavo,corrispondente alle diverse condizioni di posa.

Un fenomeno specifico che si manifesta solo nei conduttori delle linee inalternata leffetto pelle, caratterizzato dallo spessore di penetrazione, che peril rame e per la frequenza industriale f = 50 Hz vale circa 10 mm. Quindi se iconduttori hanno diametri superiore ad un paio di centimetri si verifica unacattiva utilizzazione della loro sezione e dissipazioni elevate. Per tale motivoquando in una linea aerea in alternata sono necessarie elevate sezioni si faricorso a funi con anima in acciaio e regione periferica in rame dimensionataper la totale corrente elettrica. Lanima di acciaio ha solo funzione meccanica,consentendo una maggiore lunghezza delle campane tra i tralicci.

4Componenti dei Sistemi Elettrici

ISISTEMI elettrici di potenza e le apparecchiature elettriche comprendonouna grande variet di componenti: una certa quantit di questi com-ponenti serve al normale utilizzo, mentre altri ancora sono necessarialla protezione in caso di guasto. Alla descrizione dei principali di questiconviene premettere alcune sintetiche considerazioni di carattere generale.

4.1 Sovratensioni e sovracorrenti

4.1.1 Sovratensioni

In un sistema elettrico possono manifestarsi tensioni superiori a quellenominali, definite sovratensioni, che possono essere cos distinte:

sovratensioni di origine interna: sono dovute a manovre di chiusura oapertura di circuiti (sovratensione di manovra), oppure a rapide variazio-ni di carico o a fenomeni di risonanza. Possono anche essere causatida guasti, quali contatti accidentali e cedimenti di isolamenti. Questesovratensioni possono superare di alcune volte le tensioni nomina-li ed hanno di norma tempi caratteristici di evoluzione (transitori)dellordine dei millisecondi;

sovratensioni di origine esterna: sono dovute a fenomeni di induzioneo a fulminazioni dirette (sovratensioni di origine atmosferica). Esse pre-sentano intensit molto maggiori delle tensioni nominali e fronti assairipidi, tipicamente con tempi di salita dellordine del microsecondo omeno e tempi di discesa di qualche decina di microsecondo.

Le sovratensioni possono produrre il cedimento degli isolamenti di unoo pi componenti che, se solidi, possono risultare danneggiati in modoirreversibile. La conseguente scarica elettrica pu produrre un cirtocircuito

25

26 CAPITOLO 4. COMPONENTI DEI SISTEMI ELETTRICI

dove si dissipa una grande energia, provocando anche delle vere e proprieesplosioni. Per prevenire tali inconvenienti, gli isolamenti dei componentielettrici sono dimensionate per tensioni molto maggiori delle nominali,garantendo cos un elevato margine di sicurezza.

4.1.2 Sovracorrenti

In un sistema elettrico possono manifestarsi correnti superiori a quellenominali, chiamate sovracorrenti, che possono essere cos definite

sovracorrenti dovute a sovraccarico transitorio: possono verificarsi a segui-to di manovre, quali lavviamento di motori asincroni o linserzione ditrasformatori a vuoto. In tal caso lapertura inopportuna e dannosa;

sovracorrenti dovute a sovraccarico permanente: si verificano ad esempioquando vengono inseriti utilizzatori con potenza complessiva maggio-re di quella per la quale dimensionato limpianto e comportano uncomportamento un lento surriscaldamento dei conduttori. Per preve-nire sovratemperature pericolose necessario aprire i circuiti solo nelcaso in cui la sovracorrente permanga a lungo;

sovracorrente di cortocircuito (o di guasto): si manifestano quando tradue elementi non equipotenziali si stabilisce un collegamento elettricoaccidentale, che crea una maglia a bassa impedenza, detto anello diguasto, dove si instaura in tempi brevissimi la corrente di cortocir-cuito (o di guasto) che ha carattere persistente e valore efficace anchemolto maggiore di quello nominale. I conduttori subiscono quindi unrapido surriscaldamento ed intense sollecitazioni elettrodinamiche,che possono produrre la distruzione rispettivamente per fusione e ce-dimento meccanico. In questo caso necessaria lapertura tempestivadel circuito.

Per proteggere i circuiti elettrici contro le sovracorrenti sono quindi neces-sari dispositivi capaci di aprirli in modo selettivo, discriminando le entite le durate delle sovracorrenti. Sovratensioni e sovracorrenti sono spessocorrelate, ad esempio una sovratensione pu causare il cedimento delliso-lamento producendo cos un cortocircuito che diviene a sua volta causa diuna sovracorrente.

4.2 Apertura e chiusura dei circuiti elettrici

Si possono distinguere i seguenti casi di apertura di un circuito elettrico, inordine crescente di severit:

1. apertura a vuoto: con corrente nulla (o molto minore di quella nomi-nale);

4.2. APERTURA E CHIUSURA DEI CIRCUITI ELETTRICI 27

2. apertura a carico: con corrente non nulla ma non superiore a quellanominale;

3. apertura con sovracorrente: con corrente maggiore di quella nomina-le.

Quando avviene in presenza di corrente elettrica, a carico o con sovratensio-ne, lapertura del circuito comporta linterruzione della corrente.

Esistono diversi tipi di dispositivi di apertura, ciascuno dei quali si carat-terizza per la capacit di effettuare lapertura in uno o pi dei casi elencati.Negli impianti di potenza lapertura viene tipicamente eseguita separan-do due contatti, detti elettrodi o poli, inizialmente in contatto elettrico. Neidispositivi di apertura reversibili (interruttori, sezionatori) questi elettrodi, for-temente premuti lun laltro a circuito chiuso, vengono separati e allontanati.Per lapertura con sovracorrente trovano impiego, oltre agli interruttori dipotenza, anche dispositivi non reversibili (fusibili), nei quali la separazionedegli elettrodi si realizza con la distruzione di un elemento conduttore che liconnette a circuito chiuso.

Tra i due elettrodi separati si frappone un mezzo dielettrico, in generefluido, idoneo a sopportare la tensione applicata tra essi a circuito aperto.Nei dispositivi destinati ad aprire nelle condizioni pi severe (interruttoridi potenza e fusibili) gli elettrodi e il mezzo dielettrico sono contenutiallinterno di unapposita camera di interruzione.

Quando lapertura avviene in presenza di corrente, questa non sin in-terrompe istantaneamente al cessare del contatto elettrico tra gli elettrodi,ma permane per un certo tempo attraverso un arco elettrico. Se lapertura effettuata allontanando gli elettrodi luno dallaltro, prima ancora del lorodistacco la superficie di contatto tra essi diminuisce riducendosi a pochipunti ove la corrente si addensa causando intensi surriscaldamenti localiz-zati. Qui al distacco si producono elettroni liberi per emissione termoionica,che vengono accelerati dallintenso campo elettrico dovuto alla tensione pre-sente tra gli elettrodi ancora molto vicini. Questi elettroni urtano le molecoledel fluido dielettrico, ionizzandolo ed innescando cos tra gli elettrodi unarco elettrico che consente il perdurare della corrente, come illustrato inFigura 4.1.

Fig. 4.1: Esempio di arco elettrico.


Larco elettrico si comporta come un resistore non lineare con tensione darcova che una funzione decrescente della corrente i. In esso viene dissipa-ta la potenza Pa = vai che, se larco permane troppo a lungo, provoca larapida erosione degli elettrodi e perfino lesplosione del dispositivo di aper-tura. Inoltre la tensione darco va cresce allaumentare della distanza tra glielettrodi (allungamento dellarco) e al diminuire della temperatura, manmano che il fluido deionizza (raffreddamento dellarco). Queste dipendenzesono importanti affinch larco pu estinguersi, oltre che spontaneamente,allorch levoluzione circuitale fa annullare la corrente, anche rendendo latensione darco maggiore della tensione che il circuito esterno applica tra glielettrodi.

A corrente azzerata, larco si reinnesca se la tensione applicata dal cir-cuito esterno risulta maggiore di quella che comporta la reionizzazione delfluido, detta tensione di ripresa vr. Anche questa cresce allaumentare delladistanza tra gli elettrodi e al diminuire della temperatura del fluido.

In conclusione sia va che vr crescono se si allontanano gli elettrodi e siraffredda il fluido dielettrico.

In regime sinusoidale larco elettrico si spegne spontaneamente al pas-saggio per lo zero della corrente, che avviene due volte in ogni periodo. Incaso di reinnesco dopo il primo azzeramento, larco si spegne nuovamenteal successivo zero di corrente e un ulteriore reinnesco risulta poco probabile,dato che nel frattempo la vr aumentata, quindi di norma, dopo alcuniperiodi lestinzione definitiva.

La corrente continua, contrariamente a quella sinusoidale, non si annullaspontaneamente e quindi per interromperla si deve fare affidamento sul-lincremento della tensione darco ottenuta mediante il suo allungamento eraffreddamento.

La chiusura di un circuito elettrico pu avvenire in presenza o assen-za di tensione. Spesso effettuata da un dispositivo reversibile capace dieseguire anche lapertura, che porta in contatto gli elettrodi inizialmenteseparati. La tensione tra gli elettrodi in avvicinamento, se sufficientementeelevata, pu causare linnesco di un arco, nel quale si instaura una correnteelettrica. Larco si estingue automaticamente al contatto, cosicch, per evitareconseguenze distruttive, sufficiente che esso sia di breve durata: quindi lachiusura deve essere rapida. La chiusura pu inoltre provocare le sovracorrentiprecedentemente descritte.

4.3 Interruttori di potenza

Linterruttore elettrico di potenza un componente reversibile di manovra eprotezione, capace di aprire e chiudere un circuito allontanando ed avvici-nando gli elettrodi. Esistono interruttori unipolari che aprono e chiudono una

4.4. SEZIONATORI 29

sola coppia di elettrodi, ma anche interruttori multipolari (bipolari, tripolari,...)dotati di pi coppie di elettrodi, azionate da un unico attuatore meccanico.

Fig. 4.2: Simbolo grafico di un interruttore di potenza manuale a) ed automaticob).

La manovra pu essere sia manuale, comandata da un operatore, che auto-matica, asservita ad un dispositivo detto rel che interviene allorch rilevaspecifiche condizioni anomale. Negli schemi impiantistici gli interruttori dipotenza con comando manuale ed automatico vengono rappresentati congli schemi riportati nella parte a) e b) rispettivamente di Figura 4.2.

I limiti di funzionamento di un interruttore, dichiarati dal costrutto-re e certificati da prove eseguite in laboratori qualificati, sono specificatiprincipalmente dai seguenti parametri:

tensione nominale di esercizio Vn: costituisce i livelli di tensione che,in condizioni di normale funzionamento, pu essere applicata tra idiversi poli e tra i due elettrodi di uno stesso polo quando sono aperti.Nel caso di sistemi trifase Vn rappresenta la tensione concatenata;

corrente nominale In: costituisce la massima corrente di regime perma-nente che linterruttore pu portare quando chiuso;

potere nominale di interruzione Iin: costituisce la massima corrente chelinterruttore in grado di interrompere; essendo sempre Iin > In necessario che linterruzione della corrente sia tempestiva.

4.4 Sezionatori

Il sezionatore un dispositivo reversibile di manovra idoneo ad eseguirelapertura in assenza di corrente (a vuoto) e la chiusura in assenza di tensionetra gli elettrodi. Entrambe le manovre solitamente sono lente e possonoessere sia manuali che motorizzate. Non dovendo in alcun caso avvenire acarico, sono in genere asservite ad un dispositivo di interblocco. La Figura4.3 rappresenta un sezionatore.

Un sezionatore caratterizzato dalla tensione nominale di esercizio Vne dalla corrente nominale In, definite come per gli interruttori, ed anchedalla corrente di cortocircuito di breve durata Icc che costituisce la massimacorrente che il sezionatore in posizione di chiusura pu sopportare per iltempo di un secondo. A parit di tensioni e correnti nominali, i sezionatorisono pi economici degli interruttori. Negli schemi impiantistici vengonorappresentati con lo schema di Figura 4.4.


Fig. 4.3: Esempio di sezionatore trifase.

Fig. 4.4: Simbolo grafico di un sezionatore.

4.4.1 Interruttore di manovra

Linterruttore di manovra (o sezionatore sotto carico) un dispositivo reversibiledi manovra idoneo ad eseguire lapertura e la chiusura a carico con correntie tensioni non maggiori di quelle nominali. Entrambe le manovre devonoessere quindi relativamente rapide, come negli interruttori, e ci si ottieneusualmente con molle precaricate che entrano in funzione quando la ma-novra viene avviata da un dispositivo di sgancio, azionato manualmente oautomaticamente.

Un interruttore di manovra caratterizzato dalla tensione nominale diesercizio Vn, dalla corrente nominale In e dalla corrente di cortocircuito di brevedurata Icc, definite come per i sezionatori. A parit di tensioni e correntinominali gli interruttori di manovra sono pi economici degli interruttori dipotenza, ma pi costosi dei semplici sezionatori. Negli schemi impiantistici

Fig. 4.5: Simbolo grafico di un interruttore di manovra manuale a) e automaticob).

vengono rappresentati con lo schema di Figura 4.5.

4.4.2 Teleruttori o contattori

Analogamente allinterruttore di manovra il teleruttore o contattore undispositivo reversibile di manovra, idoneo ad eseguire lapertura e la chiu-sura a carico, con correnti e tensioni non superiori di quelle nominali. Sono

4.5. REL 31

impiegati principalmente in bassa tensione anche se ne esistono modelli perla media tensione. A parit di valori nominali sono molto pi economici ecompatti degli interruttori. Negli schemi impiantistici i contattori con co-

Fig. 4.6: Simbolo grafico per un contattore manuale a) e automatico b).

mando manuale e automatico vengono rappresentati con i simboli in Figura4.6.

4.5 Rel

Il rel un dispositivo che permette di azionare in modo automatico com-ponenti quali interruttori e contattori. Esso sensibile ad una specificagrandezza fisica, detta grandezza di comando, tipicamente una tensione ouna corrente. Quando questa grandezza supera un prestabilito valore disoglia, il rel modifica il suo stato determinando unazione meccanica. Inrelazione alla grandezza di comando (corrente, tensione, potenza, frequen-za, ecc.) un rel viene classificato come amperometro, voltmetrico, wattmetrico,frequenzimetro, ecc.

Ciascun tipo di rel si caratterizza per la caratteristica di intervento, cheesprime il tempo di intervento necessario al cambiamento di stato in funzionedella grandezza di comando. Rel basati su differenti principi di funziona-mento presentano diverse caratteristiche di intervento: si distinguono adesempio rel elettromagnetici, elettrodinamici, termici, ecc. Le diverse ca-ratteristiche di intervento rendono i vari rel idonei ad assolvere funzionispeciali.

4.5.1 Rel elettromagnetico

Un rel elettromagnetico costituito da una bobina disposta intorno adun nucleo che fa parte di un circuito magnetico comprendente una piccolaancora mobile trattenuta da una molla in modo da formare un traferro (vediFigura 4.7-a). Quando la bobina viene eccitata dalla corrente I , sullancora siesercita una forza elettrodinamica proporzionale al suo quadrato, che tendea muoverla riducendo il traferro. Non appena la corrente I supera la sogliaIs tale forza eccede quella della molla e lancora si sposta bruscamente, inun intervallo di intervento tm molto piccolo, provocando unazione mecca-nica, come lapertura o la chiusura di contatti elettrici o il comando di altridispositivi.

Come illustra la caratteristica di intervento (vedi Figura 4.7-b), per I < Isil rel non interviene mai, mentre per I > Is il tempo di intervento tm


Fig. 4.7: Rel elettromagnetico e sua caratteristica di intervento.

sostanzialmente costante. Dato che la forza dipende dal quadrato dellacorrente, questo tipo di rel pu essere adoperato sia in corrente continuache alternata.

4.5.2 Rel differenziale

Un rel differenziale costituito da un nucleo ferromagnetico attorno alquale sono disposti due avvolgimenti principali A1 e A2 con uguale numeroN di spire, ed un avvolgimento ausiliarioAa i cui terminali sono connessi aduna bobina (vedi Figura 4.8-a). Gli avvolgimenti principali sono connessi inmodo che correnti i1 e i2 di uguale segno producano forze magneto-motriciopposte, che danno luogo ad un flusso di induzione t = N(i1 i2)/Rnel nucleo ferromagnetico di riluttanzaR. Se le correnti negli avvolgimentiprincipali si mantengono uguali, i1 = i2 si ha t = 0: nellavvolgimentoausiliario Aa non viene indotta alcuna f.e.m. cosicch ia = 0. Se invece i1 6= i2, ossia in presenza della corrente differenziale i = i1 i2 6= 0variabile nel tempo, compare un flusso t 6= 0 variabile che produce unaf.e.m. indotta nellavvolgimento Aa e quindi una corrente ia 6= 0 nellabobina.

La grandezza di comando dunque costituita dalla corrente differenzialei della quale in regime sinusoidale si considera il valore efficace I: appenaesso supera il valore di soglia Is, la bobina produce unazione meccanicaanaloga a quella del rel elettromagnetico. La caratteristica di intervento quindi simile a quella di questultimo (vedi Figura 4.8-b): se I < Is il relnon interviene mai, se I > Is il tempo di intervento tm sostanzialmentecostante.

4.5.3 Rel termico

Un rel termico sfrutta la dilatazione termica di un suo elemento percorsoda corrente, il quale viene riscaldato dalla potenza dissipata per effetto joule

4.5. REL 33

Fig. 4.8: Rel differenziale e sua caratteristica di intervento.

Pd = Ri2. Lelemento fondamentale del rel termico infatti costituito da

due lamelle conduttrici di materiale differente, come illustrato in Figura 4.9:infatti avendo propriet termiche diverse, i due materiali si dilatano in ma-niera differente, storcendosi da un lato e consentendo cos di poter azionareun interruttore. Per semplicit si possono considerare costanti la resistenza

I

Fig. 4.9: Principio di funzionamento di un rel termico.

R dellelemento e la corrente I (e quindi la potenza Pd), allora a partireda condizioni di riposo, nelle quali lelemento in equilibrio termico conlambiente, la sua temperatura T cresce nel tempo con legge esponenziale:

T (t) = Ta + TM

(1 et/Tt

)(4.1)

dove Ta la temperatura dellambiente, TM il valore asintotico cui tendela sovratemperatura rispetto allambiente e Tt la costante di tempo termica.Quanto pi maggiore I , tanto pi rapida la crescita di T (vedi Figura4.10-a).Durante il processo pu essere raggiunta la temperatura di soglia Tsalla quale la dilatazione dellelemento provoca unazione meccanica. DettaIs la corrente minima per la quale ci avviene, Ts viene raggiunta in untempo tanto minore quanto pi I > Is: pertanto il rel termico presentala caratteristica di intervento esemplificata in Figura 4.10-b, che dettacaratteristica di intervento a tempo inverso. Poich il riscaldamento dipende dal


Fig. 4.10: Esempi di caratteristiche di intervento per un rel termico.

quadrato della corrente, anche questo tipo di rel funziona sia in correntecontinua che alternata.

4.6 Interruttori automatici

Asservendo un interruttore ad un rel si ottiene un interruttore automatico,che interviene allorch lazione del rel libera un nottolino di sgancio. Lacaratteristica di intervento complessiva simile a quella del rel, ma presentatempi di intervento maggiori, comprendendo anche tutti i ritardi da quandola grandezza di comando supera la soglia a quando linterruttore apre. Negliinterruttori multipolari i rel producono lapertura simultanea di tutti i poli.

Collegando la bobina di un rel elettromagnetico ad un interruttore, siottiene un interruttore di massima corrente con rel elettromagnetico: nonappena la corrente nel rel supera la soglia Is, il rel scatta e linterruttoresi apre. Se utilizzo un rel termico, con lo stesso principio, ottengo uninterruttore di massima corrente con rel termico.

4.6.1 Interruttore differenziale (salvavita)

Gli avvolgimenti principali del rel differenziale svengono collegati in serieai fili della linea (vedi Figura 4.11), rappresentato in Figura 4.11. Si ottieneun interruttore differenziale, comunemente detto salvavita, avente caratte-ristica di intervento complessiva analoga a quella di Figura 4.8-b. A secondadel numero di poli dellinterruttore si realizzano interruttori differenzialiper sistemi monofasi o trifasi. Le correnti differenziali di soglia Is sonocomprese tra 10 mA e 1A. I valori minori (da 10 a 30 mA) vengono impiegatinella protezione delle persone, mentre i valori pi elevati trovano impiegonella protezione degli impianti.

4.6. INTERRUTTORI AUTOMATICI 35

Fig. 4.11: Schema di principio di un salvavita.

4.6.2 Interruttore magnetotermico

Utilizzando sia un rel elettromagnetico di massima corrente che uno ter-mico si ottiene un interruttore magnetotermico: le due caratteristiche diintervento danno luogo ad una caratteristica di intervento complessiva deltipo esemplificato in Figura 4.12. Per I < Is il dispositivo non interviene; perIs < I < Im lintervento dovuto al rel termico; per I > Im lintervento dovuto al rel elettromagnetico. Pertanto il dispositivo risulta idoneo agarantire la protezione sia contro i sovraccarichi che contro i cortocircuiti, peri quali lintervento particolarmente rapido.

Fig. 4.12: Caratteristica di intervento di un interruttore magnetotermico.


4.7 Fusibili

I fusibili sono dispositivi capaci di eseguire lapertura in modo irreversibile:possono essere utilizzati una volta soltanto e quindi devono essere sostituitidopo ogni loro intervento. Per contro sono semplici, affidabili ed economici:per questo vengono frequentemente usati per la protezione contro le sovra-correnti. Negli schemi impiantistici i fusibili sono indicati con il simbolodella Figura 4.13-a, o anche con quello della Figura 4.13-b nel quale il trattoannerito specifica il morsetto che dopo lintervento rimane in tensione.

Fig. 4.13: Simboli grafici adoperati per i fusibili.

Un fusibile costituito fondamentalmente da un conduttore realizzato in le-ga a bassa temperatura di fusione, alloggiato dentro un contenitore (cameradi interruzione) e con le estremit collegate a due elettrodi.Il principio di funzionamento il seguente: quando percorso da correnteil conduttore si scalda e, se la corrente supera la soglia Is, raggiunge latemperatura di fusione Ts e si distrugge, interrompendo il collegamento tragli elettrodi.

4.8 Isolatori

Gli isolatori sono componenti destinati a sostenere meccanicamente i con-duttori in tensione garantendone lisolamento elettrico. Essi devono resisterealle sollecitazioni di natura meccanica ed elettrodinamica trasmesse dai con-duttori e al tempo stesso devono sopportare le tensioni alle quali questipossono portarsi: vengono quindi realizzati con materiali di elevate qualitmeccaniche e dielettriche. Esistono isolatori per alta, media e bassa tensione,idonei per installazioni allesterno ovvero in ambienti interni.

Negli impieghi per esterno si utilizzano isolatori in porcellana o invetro pirex. Un esempio di isolatori per esterno riportato in Figura 4.14.Negli impieghi interni (e per media tensione) sono largamente utilizzatigli isolatori monoblocco in porcellana o in resina epossidica caricata conquarzo, in grado di sopportare elevati momenti flettenti.

4.9 Scaricatori

Gli scaricatori sono componenti di protezione contro le sovratensioni transi-torie che vengono installati in prossimit delle apparecchiature da proteg-

4.9. SCARICATORI 37

Fig. 4.14: Esempio di isolatori per esterno.

gere. Negli schemi impiantistici sono indicati con i simboli di Figura 4.15.

Fig. 4.15: Simboli grafici utilizzati per gli scaricatori.

La loro versione tradizionale (detto anche spinterometro) costituita da dueelettrodi sagomati posti ad opportuna distanza mutua in aria, uno collegatoalla linea da proteggere e laltro a terra. Al manifestarsi di una sovratensione,tra essi si innesca un arco elettrico che provoca limmediata riduzione dellatensione. In Figura 4.16 rappresentato un esempio di spinterometro.

Fig. 4.16: Esempio di spinterometro.

5Sicurezza negli Impianti Elettrici

LE persone che utilizzano apparecchiature elettriche o operano in loroprossimit sono soggette al rischio di infortunio elettrico che puavvenire quando esse vengono in contatto contemporaneamentecon pi parti conduttrici poste reciprocamente in tensione.

5.1 Infortunio elettrico

La soglia di percezione della corrente elettrica nelluomo, per un contatto trai polpastrelli circa di 0.5 mA in corrente alternata alla frequenza indu-striale (50-60 Hz) e di 2 mA in corrente continua. Con intensit maggiori siproducono nel corpo umano i seguenti effetti patofisiologici.

Tetanizzazione muscolare: i muscoli, sottoposti ad una corrente alternata,subiscono una sequenza di stimoli elettrici; non riuscendo a contrarsie rilassarsi con la frequenza della corrente, i muscoli restano contrattipermanentemente, come avviene nelle infezioni da tetano (da cui il ter-mine tetanizzazione). Tale circostanza particolarmente grave quandoun oggetto in tensione rispetto a terra viene impugnato volontaria-mente, poich la tetanizzazione paralizza i muscoli impedendone ilrilascio. La massima corrente per cui si riesce a lasciare la presa vienechiamata corrente di rilascio e si aggira sui 10 30 mA a frequenzaindustriale.

Blocco respiratorio: una corrente sufficientemente elevata (maggioredi 50 mA a frequenza industriale) che interessi la regione toracico-polmonare pu provocare la tetanizzazione dei muscoli respiratori e

39

40 CAPITOLO 5. SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICI

quindi paralizzare la respirazione, con ipossia1 e danni irreversibili alcervello se la paralisi non cessa entro pochi minuti.

Fibrillazione ventricolare: una corrente alternata sufficientemente elevata(maggiore di 50 mA a frequenza industriale) che interessi la regionetoracica, pu provocare la perdita del coordinamento dei muscolicardiaci che iniziano a pulsare in modo scoordinato; allora il cuorenon riesce pi a pompare il sangue causando ancora ipossia e danniirreversibili al cervello, se la fibrillazione non cessa entro pochi minuti.

Arresto cardiaco: forti intensit di corrente possono provocare larrestocardiaco anzich la fibrillazione ventricolare.

Ustioni: densit di correnti di pochi mA/mm2 sulla superficie di con-tatto tra cute e conduttori in tensione provocano surriscaldamentiper effetto Joule che se perdurano qualche secondo sono sufficienti acausare ustioni anche gravi; densit via via maggiori producono lacarbonizzazione dei tessuti superficiali e di quelli interni o addiritturadi interi arti.

Tetanizzazione muscolare, blocco respiratorio e fibrillazione ventricolare, chesono provocati principalmente dalla sequenza di stimoli tipici della correntealternata, possono manifestarsi anche in corrente continua, ma solo a correntimolto pi elevate. La corrente continua ha invece effetti paragonabili a quellaalternata per quanto riguarda larresto cardiaco e le ustioni e, a differenzadi quella alternata, pu anche produrre gravi fenomeni di elettrolisi deiliquidi organici.

5.1.1 Limiti di corrente

Per una data frequenza la corrente pericolosa Ip e la permanenza t sonotra loro correlate, potendo essere tollerate correnti tanto maggiori quantominore la loro durata. Tale correlazione pu essere espressa dalla sogliamedia di pericolosit (vedi Figura 5.1)

Ip = I0 +Q

t(5.1)

che individua il limite al di sotto del quale la corrente percepibile manon pericolosa. Al di sopra di tale limite la corrente deve considerarsipotenzialmente pericolosa, iniziando a manifestarsi la tetanizzazione.

1Lipossia una condizione patologica determinata da una carenza di ossigeno nellin-tero corpo (ipossia generalizzata) o in una sua regione (ipossia tissutale). Essa genera unostato di confusione e spaesamento, paragonabile a quello di ubriachezza. A differenza diquestultima, tuttavia, la persona colpita non riesce a realizzare le condizioni del suo stato.Questo pu generare una sopravvalutazione delle proprie ridotte capacit percettive, chepossono essere anche fatali.

5.1. INFORTUNIO ELETTRICO 41

Fig. 5.1: Soglia media di pericolosit.

I parametri I0 e Q che compaiono nella (5.1) dipendono marcatamente dallafrequenza della corrente: a frequenza industriale si pu assumere I0 = 1030 mA e Q 10 mAs. Per frequenze minori la curva di pericolosit presentavalori pi elevati fino a raggiungere I0 60 mA in corrente continua. Perfrequenze elevate risultano pure tollerabili correnti maggiori, perch esse,diventando superficiali per leffetto pelle, tendono a non interessare gli organiinterni. Pertanto la maggiore pericolosit della corrente elettrica si presentaproprio alle frequenze industriali, con le quali interagisce la maggior partedelle persone.

5.1.2 Limiti di tensione

Il corpo umano presenta un comportamento prevalentemente resistivo.Peraltro la tensione Vp = RpIp che corrisponde alla corrente pericolosa (5.1) di difficile definizione perch la resistenza del corpo Rp pu variare inun campo molto ampio, dipendendo da molteplici fattori quali i punti dicontatto, lestensione della superficie di contatto, la pressione di contatto, lospessore della pelle e il suo grado di umidit. Inoltre Rp decresce al cresceredella tensione e varia nel tempo durante la persistenza del contatto. Contensioni sinusoidali di valore efficace di qualche decina di volt difficilmentesi ha Rp < 2 k. Per questo motivo si considera che, per la media degliindividui, non siano pericolose tensioni sinusoidali con valore efficace U 50 V e tensioni continue U 120 V, applicate per un tempo illimitato.

Questi livelli corrispondono ai limiti previsti dalle norme tecniche peri sistemi di categoria 0, detti a bassissima tensione (vedi Tabella 1.2), chepertanto non comportano pericoli per lincolumit delle persone.


Invece i sistemi di categoria 1 (50 1000 V in c.a. e 120 1500 V in c.c.)presentano livelli di tensione pericolosi. Dato che con essi interagisce laquasi totalit della popolazione, generalmente priva di competenze tecni-che, questi sistemi richiedono misure di protezione particolarmente efficacicontro gli infortuni elettrici.

Con i sistemi di categoria 2 e 3, aventi tensioni maggiori, interagisce solopersonale specializzato e specificamente addestrato.

5.2 Contatti diretti e indiretti

I tipi di contatti elettrici ai quali pu essere sottoposto un individuo sidistinguono in diretti e indiretti:

un contatto diretto si verifica quando un individuo viene in contattocon varie parti attive, ovvero normalmente in tensione;

un contatto indiretto si verifica quando un individuo viene in con-tatto con parti metalliche che si trovano in tensione accidentalmenteed imprevedibilmente. Ci pu accadere perch sollecitazioni di va-ria natura (termiche, meccaniche, ecc.) possono produrre cedimentidegli isolanti o degli involucri protettivi delle parti in tensione. Inquesto modo parti metalliche, dette masse accessibili alle persone,perch normalmente non in tensione rispetto a terra, possono divenireequipotenziali con i conduttori in tensione.

5.2.1 Protezione contro i contatti diretti

La protezione contro i contatti diretti si attua prevenendo i contatti acciden-tali con le parti in tensione. Nel caso dei sistemi elettrici di categoria 1 essapu effettuarsi per mezzo dei seguenti accorgimenti:

1. isolamento delle parti attive (ossia in tensione) con materiali isolanti nonrimovibili;

2. involucri o barriere tali da impedire ogni contatto con parti attive;

3. ostacoli o distanziamento tali da impedire il contatto accidentale con leparti attive;

4. interruttori differenziali ad alta sensibilit, con correnti differenziali disogli Is 30 mA (vedi paragrafo 4.6.1). Si tratta di un metodo diprotezione addizionale: questi interruttori possono infatti intervenireefficacemente contro i contatti diretti che si verificassero malgradogli accorgimenti precedenti. La corrente differenziale I che determi-na lintervento del rel, circola anche nel corpo umano, restandoviapplicata fino allapertura dellinterruttore.

5.3. IMPIANTO DI TERRA 43

5.2.2 Protezione contro i contatti indiretti

La protezione contro i contatti indiretti si realizza nei seguenti modi:

1. messa a terra delle masse, realizzata connettendole allimpianto di ter-ra, che ha lo scopo di evitare che, in caso di guasto, esse assumonopotenziali elevati rispetto a terra;

2. interruzione automatica dellalimentazione: garantita da interruttoriautomatici che intervengono in caso di guasto in modo da impedireche le masse assumano potenziali elevati per tempi tali da divenirepericolose;

3. doppio isolamento delle parti in tensione che rende bassissima la pro-babilit di un cedimento completo dellisolamento e permette di nonricorrere a dispositivi di interruzione. Gli apparecchi che ne sono dotatirecano il simbolo

4. separazione elettrica, che si attua in alternativa allinterruzione auto-matica, fornendo lalimentazione attraverso un trasformatore di iso-lamento e permette di evitare linterruzione in caso di guasto. Essoviene utilizzato nei locali ad uso medico.

5.3 Impianto di terra

Un impianto di terra costituito da un sistema di conduttori che permettonodi collegare a terra in modo sicuro determinati elementi conduttori (messa aterra). Tale collegamento pu avere le seguenti funzioni.

1. Messa a terra di potenza. Allimpianto di terra sono collegate le massemetalliche delle apparecchiature che fanno parte dellimpianto elettri-co. Questo collegamento, imposto dalla normativa vigente, mantienele masse al potenziale di terra in condizioni di normale funzionamentoe limita le loro tensioni rispetto a terra in caso di guasto. Esso realizzala protezione mediante messa a terra, descritta nel seguito.

2. Messa a terra di funzionamento. Allimpianto di terra possono esserecollegate parti attive di un impianto o di un sistema elettrico. Esempiimportanti sono costituiti dai collegamenti a terra dei centri stella deitrasformatori trifasi di potenza. In altri casi la connessione permettedi sfruttare il terreno come conduttore sede di corrente: esempi si


hanno nella trazione elettrica ferroviaria ed anche nei collegamentisottomarini di potenza in corrente continua con cavi unipolari, cheutilizzano il mare come secondo conduttore.

3. Messa a terra per lavori. Quando una porzione di sistema elettricoviene portata fuori servizio per eseguire lavori, essa deve essere se-zionata dalla parte dellimpianto che resta in tensione e collegata aterra in maniera sicura e visibile. A tale scopo essa viene collegataallimpianto di terra per mezzo di sezionatori di terra o di connessioniprovvisorie.

Ogni edificio dotato di un impianto di terra. Negli schemi circuitali ilcollegamento a terra indicato con il simbolo seguente

5.4 Elementi dellimpianto di terra

Limpianto di terra costituito dalle seguenti parti:

il dispersore, totalmente immerso nel terreno, costituito da uno opi elementi conduttori collegati tra loro;

il collettore (o nodo principale) di terra, costituito da un morsetto oda una sbarra collegato sia al dispersore che alle masse;

il conduttore di terra, che collega gli elementi del dispersore tra loroed al collettore di terra;

i conduttori di protezione, detti PE, che collegano il collettore di terraalle masse delle apparecchiature elettriche;

i conduttori equipotenziali che collegano il collettore di terra allemasse estranee.

5.4.1 Il dispersore di terra

Il dispersore di terra garantisce un buon contatto elettrico tra impianto diterra e terreno. Affinch la corrente possa essere dispersa nel terreno dovresserci almeno un secondo dispersore, posto a distanza pi o meno grandedal primo, che permette la chiusura del circuito.

5.4. ELEMENTI DELLIMPIANTO DI TERRA 45

Quando, in caso di guasto, la corrente di terra It attraversa il dispersore,essa produce nel terreno un campo di corrente. Se i due dispersori sonoa distanza elevata rispetto alle loro dimensioni, il campo di corrente inprossimit di ciascuno non influenzato dallaltro e tutto avviene come sela corrente si richiudesse a distanza infinita. La configurazione del campodi corrente in vicinanza del dispersore dipende dalla sua forma e dallaprofondit alla quale esso interrato. Per esemplificare il comportamento si

Fig. 5.2: Esempio di dispersore e campo di corrente di terra.

pu considerare un dispersore emisferico immerso in un terreno costituitoda un mezzo uniforme con resistivit : le linee del campo di corrente sonosemirette uscenti radialmente dal dispersore e le superfici equipotenzialisono semisfere concentriche, come illustrate in Figura 5.2. Lungo qualunquedirezione radiale, e quindi anche in corrispondenza della superficie delterreno, il potenziale elettrico assoluto (nullo allinfinito), che pari allatensione rispetto allinfinito, ha andamento iperbolico in funzione della


distanza r, come espresso dalla:

V (r) =It2pir

(5.2)

Il valore massimo V (rA) = VA, si presenta sulla superficie del dispersore. Il

Fig. 5.3: Diversi tipi di dispersore: picchetto a); piastra b) e grata c).

dispersore emisferico consente una semplice analisi del campo di corrente,grazie alla sua simmetria, ma non viene normalmente impiegato. Infattinella pratica si utilizzano strutture pi semplici ed economiche, come quelleindicati in Figura 5.3 e costituite rispettivamente da un picchetto, da unapiastra e da una grata: questultima rende equipotenziale il terreno sotto cui interrata.

In ogni caso il potenziale V dipende da forma e dimensioni del disper-sore ed anche dalla resistivit del terreno, che pu essere disomogeneo. Ilpotenziale assume sempre valore massimo in corrispondenza del dispersoree decresce in funzione della distanza da questo.

La posizione del dispersore viene segnalata da un cartello del tiporaffigurato in Figura 5.4.

5.5. TENSIONI E RESISTENZA DI TERRA 47

Fig. 5.4: Cartelli che indicano la posizione di un dispersore di terra.

5.5 Tensioni e resistenza di terra

Si definisce tensione totale di terra Ut la tensione che si stabilisce tra ildispersore e punti sufficientemente lontani da potersi considerare allinfinito,allorch presente la corrente di terra It. Essendo V () = 0, essa vale (conriferimento alla Figura 5.5)

Ut = VA V () = VA (5.3)

Fig. 5.5: Esempio di messa a terra.


Si definisce resistenza di terra Rt il rapporto tra la tensione di terra e lacorrente di terra:

Rt =UtIt

(5.4)

Dato che il terreno ha comportamento prevalentemente resistivo, la (5.4)vale sia in regime stazionario che sinusoidale.

Se il terreno costituito da un mezzo lineare la resistenza di terra nondipende dalla corrente ma soltanto dalla resistivit del terreno e dai parame-tri geometrici che caratterizzano il dispersore stesso: nel caso di dispersoreemisferico e terreno omogeneo vale Rt = /2pirA.

E detta tensione di contatto quella alla quale pu essere soggetta unapersona in caso di contatto indiretto. Essa si manifesta il pi delle volte trauna mano che tocca una massa e i piedi che sono a contatto con il terreno.

Nellesempio di Figura 5.5, dove le masse sono collegate allimpianto diterra e in questo presente la corrente di terra It, assumendo che le massestesse siano equipotenziali con il dispersore, la tensione di contatto viene acoincidere con la differenza tra il potenziale del dispersore (A) e del puntodi contatto a terra (B):

Uc = VA VB (5.5)e risulta una frazione della tensione totale di terra:

Uc Ut.

E definita tensione di passo quella che, in seguito alla presenza di correntedi terra It, pu risultare applicata tra i piedi di una persona posti alladistanza di passo, convenzionalmente pari ad un metro. La tensione dipasso coincide quindi con la massima differenza di potenziale tra due puntidistanti un metro, come C e D in Figura 5.5:

Up = VC VD (5.6)

e anche essa risulta una frazione della tensione totale di terra:

Up Ut.

Nel caso esemplificato in Figura 5.5, se lapparecchiatura si trova a notevoledistanza dal dispersore cui collegata, la tensione di contatto viene quasi acoincidere con la tensione totale di terra, mentre piccola la tensione di passo.

Inoltre quanto maggiore la profondit di interramento del dispersoretanto pi elevata risulta la tensione di contatto e tanto minore la tensione dipasso, tendendo ai valori Uc = Ut e Up = 0.

Un dispersore particolarmente efficace quello a grata, in quanto ren-de equipotenziale tutta larea sotto alla quale interrato e quindi ivi siannullano le tensioni di contatto e di passo.

6Impianti Elettrici Utilizzatori

UN impianto utilizzatore linsieme dei circuiti di alimentazionedegli apparecchi utilizzatori e delle prese a spina (comprese lerelative apparecchiature di manovra, di sezionamento, di interru-zione, di protezione, ecc.) che stanno a valle di un punto di fornitura. Essoviene anche detto rete di distribuzione interna.

Esistono impianti utilizzatori in media tensione, ovvero appartenenti allacategoria 2 ed impianti utilizzatori in bassa tensione, ovvero appartenentialle categorie 1 e 0, di cui discuteremo nel presente capitolo.

6.1 Impianti utilizzatori in bassa tensione

Gli impianti utilizzatori in bassa tensione, che tipicamente alimentano ca-richi trifase a 380 V o monofasi a 220 V, sono connessi ai secondari ditrasformatori con le fasi collegate a stella, centro stella accessibile e neutrodistribuito insieme alle tre fasi.

Ai fini anti-infortunistici le norme prevedono che i sistemi elettrici contensioni alternate fino a 1000 V (BT) rispettino specifiche modalit di messaa terra del neutro e delle masse.

In relazione alle modalit di messa a terra, tali norme distinguono isistemi elettrici in base ad una sigla composta da gruppi di lettere, con iseguenti significati:

Prima lettera - condizione del sistema di alimentazione rispetto a terra:

T: un punto del sistema (in genere il neutro) collegato direttamentea terra;

I: il sistema isolato da terra, oppure un suo punto (in genere ilneutro) collegato a terra tramite unimpedenza elevata.

49

50 CAPITOLO 6. IMPIANTI ELETTRICI UTILIZZATORI

Seconda lettera - condizioni della masse rispetto a terra:T: le masse sono collegate direttamente a terra con impianto di terra

proprio;

N: le masse sono collegate al punto di messa a terra del sistema dialimentazione.

Eventuali lettere successive - condizione dei conduttori di neutro e diprotezione:

S: funzioni di neutro (N) e di protezione (PE) svolte da conduttoriseparati;

C: funzioni di neutro e di protezione svolte da un unico conduttorecomune (PEN).

Dato che la normativa impone il collegamento a terra della masse, risultanopossibili le seguenti combinazioni delle prime due lettere: TT, TN e IT.

6.2 Sistema TT

Il sistema TT viene sempre impiegato per alimentare impianti utilizzatoridi piccola potenza, privi di cabina di trasformazione propria, quali sono leutenze domestiche.

Fig. 6.1: Esempio di sistema TT.

In questo sistema il neutro (N) collegato allimpianto di terra della cabinaelettrica, che appartiene allente erogatore: gli impianti utilizzatori devonoessere dotati di impianto di terra proprio, necessariamente distinto da quellodella cabina, per connettervi le masse delle proprie apparecchiature tramitei conduttori di protezione (PE). La situazione illustrata in Figura 6.1,

6.2. SISTEMA TT 51

dove a titolo di esempio sono rappresentate due utenze, una trifase ed unamonofase.

6.2.1 Sicurezza e protezione nei sistemi TT

Un guasto fase-terra, causato dal cedimento dellisolamento tra una fase e lamassa di unapparecchiatura, pu dare luogo ad un infortunio per contattoindiretto. Con esso si forma un anello di guasto che comprende i due disper-sori ed il terreno (vedi Figura 6.2) e quindi presenta impedenza complessivaZt data dalla somma della resistenza di terra Rt del dispersore delluten-za, della resistenza di terra Rn del dispersore di cabina, dellimpedenzaZg a secondario del trasformatore e dellimpedenza Zl della linea fino alpunto di guasto. In tale anello agisce la f.e.m. Eg indotta a secondario deltrasformatore e pertanto, a regime, viene a stabilirsi la corrente di guasto:

Ig =EgZt

=Eg

Rt +Rn + Zg + Zl(6.1)

questa pu avere valore efficace maggiore o minore di quella nominale, in

Fig. 6.2: Anello di guasto in un sistema TT.

relazione a quanto vale Zt rispetto allimpedenza complessiva dei carichiconnessi alla linea. La tensione di contatto, mai maggiore della tensione diterra, risulta:

Uc Ut = RtIg = RtZtEg (6.2)

Pertanto con il sistema TT la tensione di contatto Uc risulta una frazionedel valore efficace della tensione stellata Eg, tanto minore quanto minore la resistenza Rt dellimpianto di terra rispetto alla totale impedenza del-lanello di guasto. Le impedenze del trasformatore e della linea sono di

52 CAPITOLO 6. IMPIANTI ELETTRICI UTILIZZATORI

solito trascurabili rispetto alle resistenze di terra dei dispersori e quindi Uc EgRt/(Rt +Rn); se ad esempio Rt = Rn si ha Uc Eg/2.

Se la resistenza di terra Rt non sufficientement

principios de las instalaciones y la seguridad electrica

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