Elementi di sicurezza elettrica PARTE 2 Sistemi di distribuzione in bassa tensione Ing. Massimo Bartoli ([email protected]) 1 I sistemi di distribuzione dell'energia elettrica sono definiti dalla Norma CEI 64-8/3 in funzione del modo di collegamento a terra e del loro sistema di conduttori attivi e dalla Norma CEI 11-1 in funzione della tensione nominale. Per modo di collegamento a terra si intende la situazione del neutro in cabina MT/BT e quella delle masse presso l'utenza. Sistemi di conduttori attivi Per sistema di conduttori attivi si intende la situazione della linea dal punto di vista del tipo di corrente convogliata, del numero di conduttori e delle fasi. La Norma CEI 64-8 considera i seguenti sistemi: - corrente continua: a 2 conduttori (positivo-negativo) a 3 conduttori (positivo-centro-negativo) corrente alternata: - monofase a 2 conduttori (fase -neutro o fase-fase) - monofase a 3 conduttori (come sopra + centro) - trifase a 3 conduttori (neutro non distribuito) - trifase a 4 conduttori (3 fasi + neutro) 2 Classificazione dei sistemi di distribuzione: Per la classificazione del sistema vengono utilizzate due lettere con il seguente significato: -prima lettera T significa collegamento diretto a terra del neutro del trasformatore di cabina (o, in generale, di un punto del sistema di alimentazione). -prima lettera I significa neutro del trasformatore di cabina non direttamente collegato a terra (o, in generale, sistema di alimentazione isolato da terra). -seconda lettera T significa masse collegate direttamente a terra mediante un proprio dispersore indipendente da quello della cabina. - seconda lettera N significa masse collegate al neutro messo a terra. 3 Sistema TT: Collegamento diretto a terra di un punto del sistema (in genere il centro stella del trasformatore di cabina) e collegamento delle masse, mediante un conduttore di protezione, ad un impianto di terra elettricamente indipendente da quello del sistema. In questa situazione in caso di guasto, la corrente verso terra che si richiude attraverso il conduttore "terra" è generalmente di valore poco elevato e dipende essenzialmente dal valore della resistenza di terra delle masse; poca influenza ha il collegamento a terra del neutro in cabina L’apertura è obbligatoria al primo guasto. L’insieme dei carichi deve essere dotato di una protezione differenziale istantanea, per forniture uso civile 30mA. 4 Sistema TN: Collegamento diretto a terra di un punto del sistema e collegamento delle masse allo stesso punto mediante un conduttore di protezione, vedi Fig. 13. In considerazione del fatto che i conduttori di neutro e di protezione possono essere uniti o separati si distinguono i seguenti tipi di sistemi TN: a) TN-C le funzioni di neutro e di protezione sono svolte da uno stesso conduttore che viene denominato PEN (distribuzione trifase a 4 fili) b) TN-S le funzioni di neutro e di protezione sono svolte da conduttori separati (distribuzione trifase a 5 fili) c) TN-C-S le funzioni di neutro e di protezione sono, per una certa parte di circuito, combinate in un unico conduttore e successivamente separate. 5 Sistema TN: 6 Questo sistema di distribuzione si usa in impianti utilizzatori alimentati attraverso una cabina MT/BT di proprietà dell'utente (fornitura di energia elettrica in media tensione). Le correnti di dispersione delle singole utenze possono interessare la terra solo in minima parte (essendo la resistenza del PEN molto minore di quella del terreno). 7 Sistema IT: Non vi sono collegamenti diretti a terra delle parti attive (neutro isolato o collegato a terra con impedenza elevata) mentre le masse sono collegate mediante il conduttore di protezione ad un impianto di terra indipendente. Con questo sistema in caso di primo guasto a terra le correnti sono di valore trascurabile; solo con un secondo guasto si possono manifestare correnti di valore compreso fra pochi ampere ed alcune centinaia di ampere in relazione alle impedenze in gioco nel momento del guasto. Il neutro, non essendo collegato a terra, può assumere tensioni anche elevate in seguito a guasti. La messa a terra delle masse in questo caso ha lo scopo di limitare la tensione totale di terra in caso di primo guasto. L'efficacia di tale azione dipende dal rapporto tra la resistenza di terra locale e la resistenza d'isolamento. 8 La Norma CEI 64-8 raccomanda in più punti di evitare, per quanto possibile, di distribuire il neutro. Deve sempre essere previsto un dispositivo di controllo dell'isolamento atto ad indicare il manifestarsi di un guasto a terra. Considerate tutte queste difficoltà, il sistema IT va realizzato solo quando esistono particolari esigenze di continuità di esercizio e si vuole evitare l'interruzione dell'alimentazione al primo guasto a terra. 9 Questo regime di neutro viene usato per garantire la continuità di esercizio della rete cioè quando l’apertura al primo guasto d’isolamento è compromettente per il buon funzionamento dell’impianto o per la sicurezza delle persone. L’utilizzo di questo regime impone la presenza costante di personale competente sul luogo per interventi veloci al momento del primo guasto d’isolamento, per garantire la continuità d’esercizio prima che si verifichi un eventuale secondo guasto che provocherebbe il fuori servizio dell’impianto. 10 Sistemi di distribuzione nel mondo: Reti distribuzione pubblica BT (regime del neutro) Impianti utilizzatori alimentati in bassa tensione Impianto di terra specifico GERMANIA TN-C TN-C e TT si AUSTRALIA TN-C TN-C si GIAPPONE TT TT si REGNO UNITO TN-C TN-C o TN-S no STATI UNITI TN-C TN-C o TN-S si IRLANDA TN TT si ITALIA TT TT si BELGIO TT TT si SVIZZERA TN TN-C o TN-S si FRANCIA TT TT si CINA TT TT si SPAGNA TT TT si PORTOGALLO TT TT si NORVEGIA IT IT no NAZIONE 11 Sistemi di distribuzione in corrente continua 12 Corrente continua - Generalità Valore efficace di una grandezza sinusoidale Il parametro che accomuna la corrente alternata alla corrente continua è il valore efficace. Il valore efficace di una corrente alternata rappresenta il valore di corrente in continua che produce i medesimi effetti termici nello stesso tempo; ad esempio una corrente continua di 100 A produce gli stessi effetti termici di una corrente alternata sinusoidale di valore massimo 141 A. Il valore efficace permette quindi di trattare la corrente alternata, dove il valore istantaneo varia nel tempo, come se fosse di tipo continuo. 13 Forma d’onda periodica a 50Hz Valore efficace (valore della corrente continua equivalente) 14 Forma d’onda periodica a 50Hz Valore efficace 15 ESEMPIO DISTRIBUZIONE IN CORRENTE CONTINUA Collegamento Italia Grecia 500MW - 400 kV DC Le stazioni di conversione sono dotate di ponti a tiristori a 12 impulsi, con sistemi di 16 filtraggio lato AC e DC (solo in Grecia) e trasformatori da 200 MVA per fase. Collegamento Italia Grecia 17 Batterie di accumulatori: nota bene 50Ah= 5A per 10 ore Un accumulatore è un generatore elettrochimico in grado di trasformare l’energia chimica in energia elettrica sotto forma di corrente continua. La struttura di un accumulatore è analoga a quella di una normale pila. La principale diversità sta nel fatto che in un accumulatore, il processo di scarica/carica è reversibile: è possibile infatti tramite l’utilizzo di un generatore di corrente continua ripristinare lo stato degli elettrodi che erano stati alterati durante il processo di scarica, tale operazione non è realizzabile con una normale pila. Le principali caratteristiche elettriche di un accumulatore sono: - tensione nominale: nominale differenza di potenziale esistente tra le piastre positive e negative immerse nell’elettrolita. Solitamente viene riportato il valore di tensione riferita ad ogni singolo elemento (2V,4V,6V,12V) per poter ottenere il valore di tensione necessario bisogna utilizzare più elementi in serie in modo tale da raggiungere il livello di tensione desiderato; - capacità: capacità quantità di corrente che essa può fornire per un certo tempo, la capacità è espressa in Amperora (Ah) e si ottiene moltiplicando il valore della intensità della corrente di scarica (Ampere) per il tempo di durata della scarica (ore); - resistenza interna: interna valore di resistenza interna della batteria, tale valore è fornito dal costruttore; - potenza: potenza potenza erogabile dall’accumulatore, è data dalla tensione media di scarica moltiplicata per la corrente ed è espressa in watt (W). 18 Impianti fotovoltaici: Un impianto fotovoltaico consente di trasformare l’energia associata alla radiazione solare in energia elettrica di tipo continuo; è costituito da pannelli di materiale semiconduttore che sono in grado di generare energia elettrica una volta esposti ai raggi solari. Gli impianti fotovoltaici possono essere collegati in parallelo alla rete (grid connected) o alimentare una singola utenza (impianto in isola o stand alone). In quest’ultimo caso è presente una batteria di accumulatori che fornisce l’alimentazione in caso di mancanza di irradiamento solare. L’elemento base di un impianto fotovoltaico è la cella fotovoltaica costituita da materiale semiconduttore (silicio amorfo o monocristallino); tale cella, esposta ai raggi solari, è in grado di fornire una corrente massima Impp ad una tensione massima Vmpp a cui corrisponde una potenza massima chiamata Wp. Più celle fotovoltaiche vengono connesse in serie, ottenendo in tal modo una stringa, per incrementare il livello di tensione; collegando più stringhe in parallelo si aumenta il livello di corrente. Ad esempio se la singola cella è in grado di erogare 5 A 35.5 Vc.c, per raggiungere un livello di 100 A a 400 Vcc occorre connettere 20 stringhe in parallelo costituite 12 celle ciascuna (12x35,5=426Vcc). 19 Generalmente un impianto fotovoltaico funzionante in isola (stand alone) è costituito dai seguenti dispositivi: -campo fotovoltaico: costituito dalle celle fotovoltaiche opportunamente connesse e utilizzate per la trasformazione di energia solare in energia elettrica; - regolatore di carica (optional): è un dispositivo elettronico in grado di regolare la carica e scarica degli accumulatori; - batterie di accumulatori (optional): sono in grado di fornire energia elettrica in mancanza di irradiamento solare; - Inverter c.c./c.a.: ha il compito di convertire la corrente da continua in alternata, controllandola e stabilizzandola in frequenza e forma d’onda. Esempio dati tecnici inverter 20 Esempio moduli MULTICRiSTALLINI Costo circa 6,0 k€ a kWp 21 Impianti di terra 22 Impianto di terra - Generalità L’impianto di terra costituisce fondamentalmente un mezzo per disperdere correnti elettriche nel terreno e per proteggere, unitamente ai dispositivi d’interruzione automatica del circuito, le persone dal pericolo di elettrocuzione. Un impianto di terra, a seconda della funzione che deve assolvere, può distinguersi in: · MESSA A TERRA DI PROTEZIONE : è una misura atta a proteggere le · MESSA A TERRA DI FUNZIONAMENTO : ha lo scopo di stabilire un · MESSA A TERRA PER LAVORI : collega a terra temporaneamente una persone dai contatti diretti; collegamento a terra di particolari punti del circuito elettrico per esigenze di esercizio, come la messa a terra del neutro nei sistemi TT e TN; sezione di impianto per esigenze di manutenzione. 23 Definizioni: Si riassumono le definizioni utilizzate più frequentemente: · Contatto diretto : Contatto di persone con parti attive · Contatto indiretto : Contatto di persone con masse durante un cedimento dell'isolamento · Tensione totale di terra Ut : è la tensione che si stabilisce durante il cedimento dell’isolamento tra una massa ed un punto del terreno sufficientemente lontano a potenziale zero; · Tensione di contatto Uc : è la differenza di potenziale alla quale può essere soggetto il corpo umano in contatto con parti simultaneamente accessibili, escluse le parti attive, durante il cedimento dell’isolamento; 24 • Tensione di passo UP – è la differenza di potenziale che può risultare applicata tra i piedi di una persona a distanza di un passo (convenzionalmente un metro) durante il cedimento dell’isolamento; · Tensione di contatto limite convenzionale UL – massimo valore di tensione di contatto che è possibile mantenere per un tempo indefinito in condizioni ambientali specificate; · Tensione nominale verso terra di un sistema Un - nei sistemi trifase con neutro isolato la tensione nominale, nei sistemi trifase con neutro direttamente a terra, la tensione stellata corrispondente alla tensione nominale, nei sistemi monofase o a corrente continua senza punti di messa a terra, la tensione nominale · Parte attiva - conduttore o parte conduttrice in tensione nel servizio ordinario, compreso il conduttore di neutro, ma escluso, per convenzione, il conduttore 25 PEN; · Massa : parte conduttrice di un componente elettrico che può essere toccata e che non è in tensione in condizioni ordinarie, ma che può andare in tensione in condizioni di guasto; una parte conduttrice che può andare in tensione solo perché è in contatto con una massa non è da considerarsi una massa; · Massa estranea : parte conduttrice non facente parte dell’impianto elettrico in grado di introdurre un potenziale, generalmente un potenziale di terra; · Terra : il terreno come conduttore il cui potenziale elettrico in ogni punto è convenzionalmente considerato uguale a zero; · Dispersore :corpo conduttore o gruppo di corpi conduttori in contatto elettrico con il terreno e che realizza un collegamento elettrico con la terra; · Resistenza di terra RT : resistenza esistente tra un collettore (o nodo) di terra e la terra; 26 · Conduttore di protezione PE - conduttore prescritto per alcune misure di protezione contro i contatti indiretti per il collegamento di alcune delle seguenti parti: masse, masse estranee, collettore (o nodo) principale di terra, dispersore, punto di terra della sorgente o neutro artificiale; · Conduttore PEN - Conduttore che svolge contemporaneamente · Conduttore di terra CT - Conduttore di protezione che collega · Collettore (o nodo) principale di terra : elemento che funzioni sia di protezione sia di neutro; il collettore (o nodo) principale di terra al dispersore o i dispersori tra loro; raccoglie, collegandoli tra loro, il dispersore, i conduttori di protezione, compresi i conduttori equipotenziali e di terra; 27 · Collegamento equipotenziale EQP - (collegamento · Conduttore equipotenziale - conduttore di protezione che · Impianto di terra - insieme dei dispersori, dei conduttori di terra, equipotenziale principale), EQS (collegamento equipotenziale secondario), conduttore che mette le diverse masse e masse estranee allo stesso potenziale; assicura il collegamento equipotenziale; dei collettori (o nodi) di terra e dei conduttori equipotenziali, destinato a realizzare la messa a terra di protezione e/o di funzionamento. 28 Struttura di un impianto di terra: Gli impianti di terra, indipendentemente dal modo e dal luogo di installazione presentano numerose caratteristiche comuni. In figura è rappresentata una tipica struttura di impianto di terra per un edificio. Elementi di un impianto di terra M: massa elettrica; ME: Massa estranea; MT: Collettore di terra; PE: conduttore di protezione; CT: conduttore di terra; DN: dispersore naturale; DA: dispersore artificiale; EQP: collegamenti equipotenziali principali; EQS: collegamenti equipotenziali secondari. 29 Esempio impianto di terra condominiale: 30 Dispersore: ll dispersore è un corpo metallico o l’insieme di corpi metallici in contatto elettrico col terreno utilizzati intenzionalmente o di fatto per disperdere correnti elettriche. Il dispersore intenzionale e’ installato unicamente con lo scopo di mettere a terra gli impianti elettrici (picchetti, corde, piastre, piattine ecc..) Il dispersore di fatto è un corpo metallico in contatto col terreno o tramite calcestruzzo, che viene normalmente utilizzato per scopi diversi dalla messa a terra degli impianti elettrici (gli elementi metallici degli edifici, le tubazioni metalliche di acqua ed altri fluidi, le armature metalliche dei cavi a contatto col terreno ecc..). 31 Dispersore intenzionale: I dispersori intenzionali possono essere del tipo a picchetto, a corda, a piastra ecc. I requisiti fondamentali che devono possedere sono: • robustezza meccanica sufficiente per resistere alle sollecitazioni dovute alle operazioni di installazione e all’assestamento del terreno; • resistenza (comprese le giunzioni e i morsetti) all’aggressione chimica del terreno • buona continuità elettrica fra i vari elementi; • non devono essere causa di corrosione per le altre strutture interrate alle quali sono collegati metallicamente. I dispersori a picchetto possono essere di forma cilindrica oppure realizzati con profilati di acciaio zincato a caldo. Con i dispersori cilindrici, essendo costituiti da una serie di tubi o tondini suddivisi in tratti di circa 1,5 m raccordabili per mezzo di filettature, è possibile ottenere con discreta facilità profondità di infissione notevoli. Quando la profondità di posa non è elevata si possono utilizzare i profilati d’acciaio zincato a caldo. a) profilo a croce b) profilo tondo c) piastra 32 La resistenza di un dispersore di terra a picchetto varia in funzione della lunghezza e della resistivita’ del terreno 33 Resistenze tipiche di dispersori : 34 Dispersore in parallelo: Si considerano •2 elettrodi emisferici di uguale raggio r0 • corrente dispersa I • terreno omogeneo di resistività ρ •Ciascun elettrodo disperderà la corrente I/2 I ρ I ρ U= ⋅ + ⋅ 2 2πr0 2 2π ( d − r0 ) e quindi ρ 1 RT = 4πr0 1 − r0 d e gli elettrodi assumono lo stesso potenziale ρ 2 π r0 ρ 2 π r0 ρ 4 π ( d − r0 ) 35 Se d >> r0 i due dispersori possono considerarsi ρ RT ≅ 4πr0 in parallelo e la resistenza totale vale Due elettrodi possono essere considerati in parallelo quando è zero il potenziale prodotto dall’uno sull’altro (in teora all’infinito). RTOT R PICCHETTO = N ° PICCHETTI REGOLA PRATICA Dispersori a picchetto identici danno una resistenza pari a SE LA DISTANZA E’ > 2,5 volte la lunghezza del picchetto 36 Dispersori intenzionali ad anello/maglia Un altro tipico dispersore è il dispersore ad anello ottenuto collegando ad anello conduttori nudi (nastri o corde) posati direttamente nel terreno ad una profondità di almeno 0,5 m. Dal dispersore ad anello deriva anche il dispersore a maglia ottenuto collegando corde di rame o di acciaio zincato interrate ad almeno 50 cm eventualmente integrato con picchetti lungo i bordi per ridurre il gradiente di potenziale . Convenzionalmente si considera lo strato del terreno che puo’ cristallizzare e quindi aumentare la propria resistenza lo strato posto fino a quota -40cm rispetto al piano di calpestio. Posare l’impianto di terra sempre a quota -50cm o + in profondita’, SEMPRE NELLA TERRA NO! NEL CEMENTO CHE DIVENTA ISOLANTE QUANDO E’ ASCIUTTO 37 Le Norme raccomandano, per gli impianti di I, II e III categoria, quando il terreno presenta caratteristiche non particolarmente aggressive, le dimensioni minime riportate in tabella. 38 Per gli impianti di I categoria queste dimensioni risultano generalmente sufficienti, non sempre invece lo sono per gli impianti di II e di III categoria. In questo caso le Norme prescrivono la verifica di ogni elemento utilizzato come dispersore applicando la formula dove: I e la quota parte (in ampere) della corrente di terra che percorre l’elemento del dispersore; t è il tempo di eliminazione del guasto in secondi; K è un coefficiente che vale 229 (A/mm2s2) se il materiale è il rame oppure 78 (A/mm2s2) se il materiale è l’acciaio con sovrariscaldamento di tipo adiabatico con temperatura iniziale di 30 °C e finale non superiore a 400°C. 39 Dispersore di fatto: Le caratteristiche del dispersore di terra possono essere migliorate utilizzando, oltre i dispersori intenzionali, anche i dispersori di fatto. Tutti i corpi metallici in intimo contatto col terreno o tramite calcestruzzo possono essere collegati all’impianto di terra. Uno dei dispersori di fatto più comuni sono i ferri di armatura del cemento armato che, per effetto dell’umidità contenuta nel calcestruzzo, possono considerarsi, una volta collegati all’impianto di terra, dispersori a tutti gli effetti. Per consentire il collegamento con le varie parti del dispersore devono essere previsti, in fase di realizzazione, dei conduttori di adeguata lunghezza collegati con le armature e dei conduttori posati lungo il perimetro dell’edificio per interconnettere elettricamente tra loro i ferri dei plinti. I ferri del cemento armato devono essere, per garantire la continuità, collegati tra di loro per mezzo di saldature, morsetti o legature effettuate a regola d’arte. 40 Le caratteristiche del dispersore di terra possono essere migliorate utilizzando, oltre i dispersori intenzionali, anche i dispersori di fatto. Tutti i corpi metallici in intimo contatto col terreno o tramite calcestruzzo possono essere collegati all’impianto di terra adottando però alcuni accorgimenti atti ad evitare fenomeni di corrosione. Per limitare tali fenomeni è bene impiegare, negli accoppiamenti, metalli omogenei, possibilmente vicini nella scala di nobiltà. Soprattutto nelle giunzioni senza saldatura è necessario limitare le coppie elettrolitiche utilizzando morsetti e conduttori dello stesso metallo e proteggere le giunzioni dall’umidità rivestendole con nastri vulcanizzanti. Nella tabella è riportata la scala dei potenziali elettrochimici di alcuni metalli riferita all’elettrodo idrogeno. 41 Fenomeni di corrosione: Due sono i meccanismi fondamentali secondo i quali si esplica la corrosione dei metalli: • corrosione chimica • corrosione elettrochimica. Corrosione chimica La corrosione chimica consiste in una reazione tra un metallo e un liquido o tra un metallo e un gas, come ad esempio il ferro che reagisce a certe temperature con l’ossigeno presente nell’atmosfera producendo i suoi ossidi (RUGGINE) . In questo caso il metallo cede elettroni all’ossigeno con formazione di ioni metallo carichi positivamente e ioni ossigeno carichi negativamente che si legano determinando la formazione di uno strato, più o meno aderente alla superficie, di prodotti della corrosione. Il processo non è generalmente accompagnato da passaggio di corrente elettrica 42 Corrosione elettrochimica: La corrosione elettrochimica può avvenire, quando i metalli sono immersi in un elettrolita, a temperatura prossima a quella ordinaria attraverso due reazioni principali, una all’anodo ed una al catodo: le reazioni anodiche sono reazioni di ossidazione che tendono a distruggere il metallo dell’anodo che si discioglie sottoforma di ioni oppure ritorna allo stato combinato di ossido; le reazioni catodiche sono invece sempre reazioni di riduzione di alcuni ioni con corrispondente consumo degli elettroni prodotti dalla reazione anodica e transitati attraverso il metallo. le reazioni anodiche sono reazioni di ossidazione che tendono a distruggere il metallo dell’anodo che si discioglie sottoforma di ioni oppure ritorna allo stato combinato di ossido; le reazioni catodiche sono invece sempre reazioni di riduzione di alcuni ioni con corrispondente consumo degli elettroni prodotti dalla reazione anodica e transitati 43 attraverso il metallo. Il processo corrosivo di metalli interrati in terreno elettrolitico può sostanzialmente avvenire per i seguenti motivi: 1) metalli diversi a contatto fra loro; 2) metalli diversi collegati elettricamente fra loro; 3) metalli diversi in presenza di correnti continue; 4) metallo ricoperto da strati di terreno non omogeneo diversamente permeabili ai gas. Corrosione di contatto : Due metalli diversi in contatto fra di loro Î Corrosione di contatto. In presenza di un suolo elettrolitico (conduttivo), se i due metalli hanno potenziali diversi si crea fra di loro una differenza di potenziale (coppia galvanica). Ad esempio un collare di rame su tubazione di ferro determina la corrosione del tubo di ferro 44 In presenza di un ossidante, ad esempio ossigeno contenuto in terreno umido, questo verrà ridotto, anche sulla superficie del metallo a potenziale maggiore, sempre a spese degli elettroni del metallo a potenziale minore. Quanto più è negativo il potenziale del metallo, tanto più facile risulta la sua ossidazione. Il rame non si ossida e non si riduce, in questo caso l’ossidante è solamente l’ossigeno. Si ha circolazione di corrente tra anodo e catodo e una corrosione in prossimità della giunzione tra collare e tubo. Nel fenomeno corrosivo riveste un ruolo di notevole importanza anche il rapporto tra le aree delle superfici metalliche degli elettrodi in contatto con l’elettrolita. La corrosione anodica risulterà tanto più veloce e pericolosa quanto maggiore è la superficie del catodo rispetto a quella dell’anodo 45 Materiali e accorgimenti per limitare i rischi di corrosione Si deve evitare, quando possibile, l’unione di materiali dissimili per evitare che si generino coppie galvaniche con conseguente circolazione di corrente. Nel caso di accoppiamento si rame e ferro, devono essere impiegati morsetti con potenziale elettrochimico intermedio. Inoltre possono essere realizzate delle barriere fisiche, mediante nastrature con materiali auto-vulcanizzanti, resine o catrame, tali da rendere la giunzione impermeabile all’acqua e all’aria 46 L’acciaio utilizzato per i ferri d’armatura immerso nel calcestruzzo si nobilita assumendo caratteristiche che raggiungono valori di potenziale simili a quelli del rame che nel calcestruzzo mantiene invece inalterate le sue caratteristiche risultando per questo compatibile con l’acciaio. Nel collegamento dei ferri d’armatura con corde di ferro zincato si forma una coppia galvanica nella quale il ferro funge da catodo e lo zinco della corda da anodo. Si può evitare la corrosione della corda zincata proteggendo la superficie della giunzione con catrame o nastrando con cura la corda fino al collegamento col dispersore 47 Materiali e accorgimenti per limitare i rischi di corrosione : Una giunzione molto comune negli impianti di terra è quella fra acciaio zincato e rame. Per evitare la corrosione fra zinco e rame si può utilizzare per la giunzione un metallo con potenziale elettrochimico intermedio come il bronzo o l’ottone oppure utilizzare capocorda stagnati o cadmiati. 48 RIEPILOGO SUI DISPERSORI DI FATTO 49 Conduttore di terra PE : IL conduttore di protezione (è identificato dal colore giallo/verde e viene chiamato PE oppure, se svolge contemporaneamente anche la funzione di neutro, PEN) si realizza il collegamento delle masse con l’impianto di terra. Unitamente all’interruttore automatico garantisce la protezione dai contatti indiretti e deve essere dimensionato, come pure il conduttore di terra ed equipotenziale, sia per sopportare le sollecitazioni termiche dovute alla corrente di guasto verso terra sia per sopportare eventuali sollecitazioni meccaniche. Il dimensionamento può essere effettuato, con un metodo semplificato, in funzione della sezione del conduttore di fase o in modo adiabatico (il calore prodotto e accumulato tutto dal cavo), metodo che conduce a sezioni notevolmente inferiori rispetto a quelle ottenute col metodo semplificato. 50 Metodo semplificato calcolo del PE : Quando il conduttore non fa parte della conduttura di alimentazione non deve, in ogni caso, essere inferiore a 2,5 mm2 se è prevista una protezione meccanica del conduttore stesso (tubo di protezione) 4 mm2 se non è prevista una protezione meccanica. 51 52 Conduttore di terra per apparati elettronici : Una particolare nota va dedicata alle apparecchiature elettroniche con correnti di dispersione superiore a 10 mA (Apparecchiature con elevata Corrente di Dispersione rif. Norma CEI 74-2) oApparecchiature di tipo A: predisposte con spina di tipo domestico e similare. Hanno corrente di dispersione a terra non superiore a 3.5 mA oApparecchiature di tipo B: predisposte con spina di tipo industriale o collegate direttamente alla rete. Possono avere corrente di dispersione a terra superiore a 3.5 mA. Nel caso in cui gli apparecchi superassero tale valore, in corrispondenza dell’alimentazione devono avere un etichetta del tipo: 53 Un’apparecchiatura ad elevata corrente di dispersione è pericolosa perché, se si interrompe il conduttore di protezione, la corrente di dispersione fluisce attraverso l’operatore. devono essere collegate a terra secondo una delle seguenti configurazioni: 54 Conduttore di terra : Per il dimensionamento del conduttore di protezione si devono adottare criteri diversi a seconda che si tratti di bassa o di media tensione. 55 Conduttore di terra sistema TT : La corrente di guasto attraversa il conduttore di terra la cui sezione minima deve essere, sempre rispettando le sezioni minime prescritte, almeno uguale al maggiore conduttore di protezione dell’impianto oppure verificata con la relazione: Se ad esempio cautelativamente supponiamo di avere una resistenza dell’impianto di terra particolarmente bassa, ad esempio RT=0,1 ohm, si avrà: Se il tempo di intervento delle protezioni fosse di 0,6 secondi (gli automatici hanno tempi t< 0,1 sec) e il conduttore di protezione fosse un conduttore unipolare in PVC si avrà: 2 2300 x 0,6 2 ST = = 13 mm 1432 Normalmente l’impianto di terra presenta valori di resistenza superiori a quelli ipotizzati e i tempi di intervento delle protezioni sono generalmente più bassi per cui, ad esempio, un conduttore avente sezione di 16 mm2 è quasi sempre sufficiente per un sistema TT. 56 · Bassa tensione La corrente di guasto in bassa tensione può raggiungere anche valori di alcune decine di kA ma normalmente interessa solo il conduttore di protezione. A titolo puramente indicativo si riporta la corrente di corto circuito di trasformatori MT/BT Trasformatore da 250KVA (Vcc 6%) Icc ~ 6 kA Trasformatore da 630KVA (Vcc 6%) Icc ~ 15 kA Trasformatore da 1000KVA (Vcc 6%) Icc ~ 24 kA In quest’ultimo caso dimensioniamo il PE assumendo un tempo intervento t=0,1 sec ed un PE tipo cordicella N07V-K. Si ha quindi 240002 x 0,1 2 S PE = = 53 mm 1432 (trascurando l’impedenza omopolare) in questo caso si sceglie una sezione per il PE di 70 mm2 Nel caso di trafo da 2MVA si ottiene un PE da 120mmq 57 Conduttori EQUIPOTENZIALI: Non essendo conduttori attivi e non dovendo sopportare gravose correnti di guasto il loro dimensionamento non segue regole legate alla portata ma alla resistenza meccanica del collegamento. Le Norme prescrivono le sezioni minime che devono essere rispettata per questi conduttori distinguendo tra conduttori equipotenziali principali (EQP) e supplementari (EQS). Sono detti principali se collegano le masse estranee al nodo o collettore principale di terra, sono detti supplementari negli altri casi. Le sezioni minime prescritte sono le seguenti 58 Criteri di protezione dei circuiti 59 Nel campo degli impianti elettrici, le protezioni rivestono una notevole importanza, in quanto un impianto carente sotto questo profilo può causare notevoli danni a persone e cose. I problemi di protezione si possono suddividere in tre categorie: o o o Protezione dall’impianto da guasti da imputare all’impianto stesso; Protezione generale rispetto all’ambiente dove l’impianto è istallato; Protezione dai contatti elettrici. Le linee in cavo e quelle in condotti vengono progettate in modo che, con la corrente d normale funzionamento, non si possono verificare temperature pericolose per l’isolante, soprattutto nel caso dei cavi. Tuttavia risulta sempre possibile che la corrente assuma valori in grado di provocare un riscaldamento dannoso per il cavo e per l’ambiente circostante. Tale evento si può verificare per due fenomeni, che sono rispettivamente: 9 9 il corto circuito il sovraccarico 60 Il sovraccarico è il fenomeno che si realizza quando la corrente assorbita in un impianto è superiore a quella sopportabile dal cavo nel quale transita. Questo fenomeno deve essere interrotto in tempi brevi per evitare il rapido deterioramento dell’isolante del cavo. Il cortocircuito si verifica quando due o più fasi (o neutro/ terra) vengono incidentalmente in contatto tra loro. In questo caso le correnti in gioco possono assumere valori estremamente elevati e devono essere interrotte in tempi brevissimi. Entrambi questi fenomeni comportano, con tempi ed intensità diverse, il passaggio nel cavo di una quantità di corrente superiore alla portata massima dello stesso. I corto circuiti avvengono in circuiti in cui si sia verificato un guasto; la protezione da questo fenomeno deve essere applicata a tutti i tipi di linee, ad eccezione: o Le linee che collegano sorgenti di energia o Le linee la cui interruzione improvvisa può dare luogo a pericoli o Alcuni circuiti di misura 61 La corrente di sovraccarico, al contrario, è una sovracorrente che si stabilisce in un circuito elettricamente sano. Contro il sovraccarico devono essere protette particolarmente le seguenti linee: o o o Le linee che alimentano derivazioni o carichi per i quali si è assunto un coefficiente di contemporaneità inferiore ad 1 Alimentazione motori Alimentazione prese a spina La protezione da sovraccarico si può omettere in alcuni casi particolari: o o Linee di sicurezza – es. pompe antincendio Linee che alimentano apparecchi illuminanti a scarica, quando si è sicuri che non vengano aggiunte altre apparecchiature, oppure, che non venga aumentata la potenza di quelli previsti in sede di progetto 62 Dispositivi di manovra e protezione: Classificazione delle apparecchiature: 1. In base alla funzione 2. In base alla modalità di manovra 3. Classificazione in base al sistema elettrico 4. Classificazione in base all’ambiente d’installazione Le modalità di azionamento degli apparecchi per ottenere il movimento dei contatti (distacco o contatto) classificate secondo la Norma CEI 17-5 sono le seguenti: Manovra manuale dipendente - manovra ad accumulo di energia che trae origine dal lavoro manuale, accumulato e liberato in una sola operazione, in modo che la velocità e la forza della manovra risultino indipendenti dall’azione dell’operatore Manovra dipendente mediante sorgente esterna - l’energia per la manovra è ottenuta con dispositivi come solenoidi, motori elettrici, pneumatici ecc. Manovra ad accumulo d’energia - l’energia necessaria alla manovra 63 viene accumulata nel meccanismo stesso prima della manovra Classificazione in base all’ambiente d’ installazione: I dispositivi devono essere scelti in base all’ambiente di posa e in relazione al loro grado di compatibilità con le condizioni ambientali esistenti nel luogo d’installazione che possono riguardare: la natura dell’atmosfera e dell’ambiente (temperatura, umidità, presenza di polveri, di sostanze corrosive, insetti, ecc.) le sollecitazioni meccaniche le sollecitazioni termiche l’irraggiamento 64 Interruttore: A seconda del tipo di utilizzo gli interruttori sono oggetto di diversi fascicoli normativi. Di seguito verranno specificate le definizioni indicate dalle relative Norme di riferimento. Interruttore (meccanico) di manovra (Norma CEI 17-11, art. 2.1.3) - "Apparecchio meccanico di manovra destinato a stabilire, portare e interrompere correnti in condizioni normali di circuito, comprese eventuali condizioni specificate di sovraccarico in servizio ordinario, così come a portare per una durata specificata correnti in condizioni anormali di circuito, come ad esempio quelle di corto circuito”. Interruttore sezionatore (Norma CEI 17-11, art. 2.1.5 ) – “Interruttore di manovra che, nella posizione di aperto, soddisfa alle prescrizioni della distanza di sezionamento specificate per un sezionatore” Interruttore automatico (meccanico) (Norma CEI 17-15, art. 2.1.4) – “Apparecchio meccanico di manovra capace di stabilire, portare e interrompere correnti in condizioni normali del circuito ed inoltre di stabilire, portare per una durata specificata e interrompere automaticamente correnti in condizioni anormali specificate del circuito, ad 65 esempio quelle di corto circuito”. Interruttore automatico di sovracorrente per usi domestici e similari (Norme CEI 23-3, art. 2.2.1 dell’allegato) - “Apparecchio meccanico d’interruzione destinato a connettere all’alimentazione un circuito ed a disconnetterlo, mediante operazione manuale, o ad aprire il circuito automaticamente, quando la corrente superi un valore predeterminato”. Interruttore differenziale per uso domestico e similare (Norme CEI 23-18, art. 2.1.01) – “Dispositivo meccanico destinato a connettere e a disconnettere un circuito all’alimentazione, mediante operazione manuale, e ad aprire il circuito automaticamente quando la corrente differenziale supera un valore predeterminato”. Interruttore differenziale con sganciatori di sovracorrente per uso domestico e similare (Norme CEI 23-8, art. 2.3.01) – “Interruttore differenziale .... con sganciatori di sovracorrente incorporati capaci di provocare automaticamente l’apertura del circuito principale quando la corrente superi un valore predeterminato”. Combinazione di interruttore differenziale e dispositivo di protezione contro i corto circuiti (Norma CEI 23-18, art. 2.2.01) – “Insieme formato da un interruttore differenziale senza sganciatori di sovracorrente e da un dispositivo di protezione contro i corto circuiti (dispositivo associato). Nel 66 seguito si usa per brevità il termine combinazione.....”. Interruttore differenziale: “Dispositivo meccanico destinato a connettere e a disconnettere un circuito all’alimentazione, mediante operazione manuale, e ad aprire il circuito automaticamente quando la corrente differenziale supera un valore predeterminato”. Viene altresì precisato che ove fossero presenti anche sganciatori di sovracorrente, questi devono essere in grado di “provocare automaticamente l’apertura del circuito principale quando la corrente superi un valore predeterminato”. Con il verificarsi di un guasto verso terra la somma vettoriale delle correnti, che in un circuito in condizioni normali è nulla, da un risultato diverso da zero. L’interruttore differenziale è un dispositivo sensibile a questa corrente (corrente differenziale) e interviene, aprendo automaticamente il circuito, quando viene superato un valore prestabilito. 67 In base al tipo costruttivo i dispositivi differenziali si distinguono in: - dispositivi il cui funzionamento non dipende da una sorgente ausiliaria - dispositivi che dipendono da una sorgente ausiliaria Una ulteriore suddivisione viene effettuata in base alla funzione a cui il dispositivo differenziale è destinato: Differenziali magnetotermici: sono costituiti dalla combinazione di uno sganciatore magnetico, termico e differenziale e sono destinati alla protezione dalle sovracorrenti e dalle correnti di guasto verso terra Differenziali puri: sono dotati del solo sganciatore differenziale e quindi garantiscono solo la protezione verso terra. Devono essere accoppiati a interruttori magnetotermici o a fusibili per la protezione dalle sollecitazioni termiche e dinamiche Differenziali con toroide separato: sono impiegati negli impianti industriali caratterizzati da forti intensità di corrente. Vengono realizzati con relè, costituiti da un toroide sul quale è disposto l’avvolgimento di rilevazione della corrente differenziale, che viene utilizzato per comandare il meccanismo di sgancio di un interruttore o di un contattore di linea 68 Le prestazioni di questi dispositivi sono definite da alcune grandezze caratteristiche: Numero dei poli - 2P, 3P, 4P Corrente nominale (In) valore di corrente che l’apparecchio è in grado di portare ininterrottamente Corrente differenziale nominale d’intervento IDn (Norme CEI EN 610081 e CEI EN 61009-1) minimo valore della corrente differenziale che determina l’apertura dei contatti entro tempi specificati. I valori normalizzati sono 0,01-0,03-0,1-0,3-0,5-1A Corrente differenziale nominale di non intervento IDn0 (Norme CEI EN 61008-1 e CEI EN 61009-1) valore massimo della corrente differenziale che non provoca l’apertura dei contatti. Il valore normalizzato, anche se sono ammessi tempi diversi, è IDn0=0,5IDn 69 Tempo d’intervento : intervallo di tempo tra l’istante in cui si raggiunge il valore di corrente differenziale Idn e l’istante in cui avviene l’apertura dei contatti Tipo di dispositivo Idn (A) Altissima sensibilità 0,005 0,010 0,030 Alta sensibilità 0,1 0,3 0,5 1 Tempi massimi di intervento in secondi per : 1 Idn 2 Idn 5 Idn 0,25 A 2 0,3 0,3 1 0,15 0,15 ----0,04 0,04 0,04 0,04 0,3 0,3 2 2 0,15 0,15 0,2 0,2 0,04 0,04 0,04 0,04 --------- L’interruttore per costruzione puo’ aprire per valori compresi tra il 50% ed il 100% della corrente nominale 70 Protezione differenziale: Esistono 4 tipi di livello di protezione differenziale definiti dalla norma di prodotto CEI EN 61008 S Classe AC Classe A Classe S Classe B 71 Perché scegliere una protezione in classe B Classe B 9 Le correnti di dispersione dei carichi alimentati attraverso dei raddrizzatori trifasi possono generare una componente continua (in particolare nello spettro di 1020 kHz) Perché NON si trova mai una protezione in classe B ?? – costa 6-8 volte di + Corrente di dispersione conseguente ad un guasto fase/terra Corrente di dispersione conseguente ad un guasto fase/terre assimilata a una corrente continua (non passa per lo zero) 72 Criteri di scelta in presenza di correnti di guasto con componenti continue secondo il regime di neutro 73 Principio di funzionamento interruttore differenziale in classe B 74 Le applicazioni della protezione differenziale in classe B Ascensori, scale mobili Macchine utensili Cantieri Apparecchi elettromedicali 75 Selettivita’ dei differenziali Fra due interruttori differenziali installati in serie interessati cioè dalla stessa corrente di dispersione, è garantita la selettività verticale solo se il tempo massimo di intervento del dispositivo a valle è inferiore al tempo minimo di non intervento di quello posto a monte. La selettività e’ garantita se il dispositivo di tipo S ha una corrente nominale differenziale di almeno tre volte superiore rispetto a quella del dispositivo installato a valle Tipo Selettivo (S) Generale Corrente differenziale Tempi di intervento (s) IDN 2 IDN 5 IDN massimo 0,5 0,2 0,04 minimo 0,13 0,06 0,05 massimo 0,3 0,15 0,04 76 Rele’ a toroide separato Caso cavi schermato (es cavi MT o con schermo) La messa a terra dello schermo va ripassata nel toroide altrimenti la protezione non interviene poiche’ la corrente di guasto passa sullo schermo 77 Sezionatore: La Norma CEI 17-11, art. 2.1.4 dà del sezionatore la seguente definizione: ‘Apparecchio meccanico di manovra che, per ragioni di sicurezza, assicura, nella posizione di aperto, una distanza di sezionamento che soddisfa a condizioni specificate. Un sezionatore è capace di aprire e chiudere un circuito quando la corrente interrotta o stabilita è di intensità trascurabile, o quando la manovra non produce alcun cambiamento apprezzabile della tensione ai suoi terminali. Esso è inoltre capace di portare, nella posizione di chiuso, la corrente corrispondente alle condizioni normali di circuito e di portare, per una durata specificata, correnti corrispondenti a condizioni anormali di circuito, come ad esempio quelle di corto circuito. 78 Interruttore automatico: Generalità L’interruttore automatico è un apparecchio meccanico di manovra capace di stabilire, portare ed interrompere correnti in condizioni normali del circuito ed inoltre di stabilire, portare per una durata specifica ed interrompere, correnti in condizioni anormali specificate del circuito, ad esempio quelle di corto circuito. La parola ‘automatico’ sta ad indicare un apparecchio che interviene automaticamente quando è attraversato da una corrente superiore alla sua corrente nominale. Ogni interruttore è fornito di due sganciatori di sovracorrente di cui uno (relè termico), a tempo inverso, provoca l’apertura con un ritardo inversamente proporzionale al valore della sovracorrente, mentre l’altro (relè elettromagnetico), ad intervento istantaneo provoca l’intervento a partire da un determinato valore di sovracorrente (relativamente elevato) con un tempo pressoché costante. 79 Classificazione: In base ai tempi di interruzione della corrente di corto circuito si identificano i seguenti tipi di interruttori Selettivi : l’interruzione viene volutamente ritardata ed avviene dopo alcuni periodi per permettere la selettività tra interruttori posti in serie Limitatore - l’interruzione viene fortemente anticipata rispetto allo zero naturale della corrente Interruttore modulare - sono interruttori impiegati prevalentemente nel civile e nel terziario e sono caratterizzati da dimensioni modulari unificate. Queste caratteristiche permettono una facile installazione a scatto su supporti di tipo normalizzato Zero-cross- l’interruzione avviene al primo o al secondo passaggio della corrente per lo zero naturale Interruttori aperti o in aria- sono interruttori caratterizzati da notevoli dimensioni e vengono impiegati per usi prevalentemente di tipo industriale. Possiedono correnti nominali, correnti di breve durata e poteri di corto circuito piuttosto elevati. Vengono impiegati come interruttori di macchina a valle dei trasformatori di MT/BT di generatori e per partenze con elevate correnti di impiego (>1250 A) Interruttore scatolato - sono interruttori in cui la scatola che li contiene, normalmente di materiale plastico, funge da supporto per le parti meccaniche e da isolante tra le fasi e verso massa e da protezione contro i contatti indiretti 80 Protezione contro il sovraccarico: La corrente nominale dell’interruttore automatico deve essere scelta in relazione alla portata del cavo; la protezione contro il sovraccarico è in tal modo assicurata. I circuiti luce non necessitano della protezione contro il sovraccarico, ma per una maggiore sicurezza, si è scelto di proteggerli ugualmente e si può prescindere dalla lunghezza massima della linea protetta contro il cortocircuito. Nei circuiti non protetti contro il sovraccarico, il dispositivo di protezione contro il corto-circuito potrebbe infatti non proteggere la linea molto lunga per un corto-circuito in fondo alla linea stessa. 81 82 83 84 85 Protezione contro il cortocircuito: Gli interruttori automatici scelti per la protezione contro il sovraccarico garantiscono anche la protezione contro il corto-circuito, purchè abbiano idoneo potere di corto-circuito (corrisponde al valore efficace della corrente presunta che l’interruttore è in grado di stabilire, portare e interrompere a condizioni specificate). Gli interruttori automatici di bassa tensione sono suddivisi in due categorie fondamentali: interruttori in scatola isolante e interruttori di tipo aperto. Entrambe queste tipologie di dispositivi vengono a loro volta classificate in funzione del tipo di intervento che può essere istantaneo o selettivo. A questo scopo le Norme fanno corrispondere questa classificazione a due categorie di utilizzo, rispettivamente A (istantanei) 86 e B (selettivi). Categorie di utilizzazione: La Norma CEI 17-5 classifica gli interruttori in due categorie di utilizzazione. Categoria A - Con questi apparecchi si può ottenere solo la selettività di tipo amperometrico perché non dispongono di dispositivi per il ritardo intenzionale dell’intervento per correnti di corto circuito. Gli interruttori con corrente nominale inferiore a 500-630 A appartengono a questa categoria. Categoria B - Sono interruttori automatici con dispositivo di ritardo intenzionale. In corto circuito si può ottenere la selettività cronometrica introducendo tempi di ritardo variabili da 0 a 300 ms. I dispositivi di ritardo possono essere di tipo elettromeccanico, nei quali si può regolare solo il tempo di pre-arco, o a microprocessore, in cui si possono ottenere regolazioni più complesse. Per questi apparecchi deve essere specificata la corrente nominale di breve durata Ics (Icc che interrompe e non fa danni) e la Icw. (Icc che interrompe ma che puo’ danneggiare l’interruttore) 87 Tipi di sganciatori e curve caratteristiche La condizione di protezione dal sovraccarico di una conduttura avente corrente di impiego IB e portata IZ è espressa dalle seguenti relazioni: IB ≤ IN ≤ IZ If ≤ 1,45 IZ 88 89 Selettività delle protezioni: L’articolo 536.1 della Norma CEI 64-8 è dedicato alla selettività tra dispositivi di protezione contro le sovracorrenti: “Quando più dispositivi di protezione sono posti in serie e quando le necessità di esercizio lo giustificano, le loro caratteristiche di funzionamento devono essere scelte in modo da staccare dall’alimentazione solo la parte dell’impianto in cui si trova il guasto”. In definitiva si dovrà fare in modo che in presenza di un guasto intervenga unicamente il dispositivo di protezione installato immediatamente a monte del punto guasto. Gli altri dispositivi attraversati dalla corrente di guasto dovranno rimanere chiusi e consentire al resto dell’impianto sano di rimanere alimentato. 90 Esempi di calcolo della selettività: Nella zona del sovraccarico con le protezioni in gioco si realizza generalmente selettività di tipo tempo-corrente. Nella zona del cortocircuito con le protezioni in gioco si possono realizzare diverse tecniche di selettività, in particolare: ¾la selettività amperometrica ¾la selettività cronometrica ¾la selettività energetica ¾la selettività di zona. 91 Coordinamento delle protezioni: Selettività totale. La selettività è totale se si apre solo l’interruttore B, per tutti i valori di corrente inferiori o uguali alla massima corrente di cortocircuito presunta nel punto in cui è installato B. Selettività parziale. La selettività è parziale se si apre solo l’interruttore B per valori di corrente di cortocircuito in C inferiori al valore IL, oltre il quale si ha l’intervento simultaneo di A e B. 92 Calcolo della caduta di tensione: In un qualsiasi impianto di bassa tensione è necessario valutare la caduta di tensione tra l'origine dell'installazione e il punto di utilizzazione dell'energia elettrica. Un’ eccessiva caduta di tensione influenza negativamente il funzionamento delle apparecchiature. La Norma CEI 64.8 raccomanda una caduta di tensione tra l'origine dell'impianto elettrico e qualunque apparecchio utilizzatore non superiore in pratica al 4% della tensione nominale dell'impianto. In un impianto di forza motrice una caduta di tensione superiore al 4% può essere eccessiva per le seguenti ragioni: A) la corrente di avviamento motore può raggiungere o superare il valore di 5 ÷ 7 In. Se la caduta di tensione è pari al in regime permanente, probabilmente raggiungerà, momento dell'avviamento, un molto elevato. di un anche 6% essa al valore B) il corretto funzionamento, in regime permanente, dei motori è generalmente garantito per tensioni comprese tra il ± 5% della tensione nominale; 93 Il valore della caduta di tensione [V] può essere determinato mediante la seguente formula: dove: IB [A] è la corrente nel cavo, k è un fattore di tensione pari a 2 nei sistemi monofase e bifase e √3 nei sistemi trifase, L [km] è la lunghezza della linea, ed in percentuale r [Ω/km] è la resistenza di un chilometro di cavo, x [Ω/km] è la reattanza di un chilometro di cavo, Un [V] è la tensione nominale dell'impianto, cosϕ è il fattore di potenza del carico. 94 Questo provoca: • un cattivo funzionamento delle utenze più sensibili; • difficoltà di avviamento del motore. Ad una caduta di tensione del 15% corrisponde una riduzione della coppia di spunto pari circa al 28%. Durante la fase di avviamento, si consiglia di non superare la caduta di tensione percentuale del 10% sul cavo del motore. La caduta di tensione è sinonimo di perdite in linea e quindi di una cattiva ottimizzazione dell'impianto di trasmissione dell'energia elettrica. Per questi motivi è consigliabile non raggiungere mai la caduta di tensione massima ammessa. La tabella seguente fornisce i valori della resistenza e della reattanza dei cavi per unità di lunghezza (Ω/km corrispondenti a mΩ/m) in funzione della sezione dei conduttori. 95 Corrente di spunto del motore 96 97 Esempio applicativo: In un impianto del tipo in figura occorre effettuare una verifica della caduta di tensione della partenza in cavo, la cui sezione è stata dimensionata a portata. Il dimensionamento a portata ha condotto ad una sezione di 50 mm2 . È imposta una caduta di tensione del 2%. Dalla tabella della resistenza e reattanza specifica dei cavi si ha: S = 50 mm2 , cavo multipolare, r = 0,483 Ω/km, x = 0,0779 Ω/km. Calcoliamo ora la caduta di tensione con la formula: (NB: la lunghezza del cavo deve essere in km) 98 Utilizzando quindi la formula della caduta di tensione percentuale si ottiene: essendo ∆u% > del 2% occorre scegliere una sezione superiore: S = 70 mm2 , cavo multipolare, r = 0,334 Ω/km, x = 0,0751 Ω/km. Utilizzando questi dati otteniamo quindi: La caduta di tensione risulta verificata (<2%). La sezione adottata è dunque 70 mm2 in cavo multipolare. 99 Condutture elettriche I cavi in uso negli impianti elettrici utilizzatori in BT sono caratterizzati dalla tensione nominale, dal materiale isolante, dalla guaina protettiva, dalla flessibilità, dal numero delle anime e dalla sezione del conduttore di ciascuna anima Tipo di posa Uo/U Posa fissa 300/500V Ambienti particolari o posa interrata 450/750V o 0,6/1kV 100 Dimensionamento e verifica condutture 101 102 103 104 Media - Bassa tensione metodi di posa (CEI 11-17) Secondo la norma i cavi entro tubazioni o cunicoli non hanno una profondita’ minima di posa 105 Media - Bassa tensione distanze sicurezza Se le distanze minime non possono essere rispettate si devono adottare opportune protezioni supplementari 106 In presenza di serbatoi contenti liquidi o gas infiammabili occorre adottare distanze di sicurezza non inferiori a 1 metro Distanza da tubazioni del gas interrate sia negli incroci (b) sia nei parallelismi (c) devono essere distanziati almeno 0,5 metri dalle condutture del gas Le distanze di sicurezza con i cavi di energia che sono posati in tubo o condotto in presenza di tubazioni per il trasferimento di fluidi infiammabili sono fissate dal DM 24/11/1984 “Norme di sicurezza antincendio per il trasporto, distribuzione, l'accumulo e l'utilizzazione del gas naturale con densità non superiore a 0,8” e dovranno di volta in volta essere concordate con gli enti 107 distributori del gas. Protezione dai contatti diretti e indiretti 108 Contatti diretti : Mezzi di protezione: La protezione contro i contatti diretti è assicurata da uno dei mezzi seguenti: • mettendo fuori portata i conduttori attivi per mezzo di ostacoli o protezioni • isolamento dei conduttori attivi • barriera o cassetta: il grado di protezione minimo garantito dalla cassetta deve essere IP2x o xxB per le parti attive • impiego di dispositivi a corrente differenziale di 30 mA • utilizzo bassissima tensione Apertura di una cassetta : deve essere possibile solo nei casi seguenti: - con l’ausilio di un utensile o di una chiave - dopo avere tolto la tensione alle parti attive 109 - se una seconda barriera IP > 2x o xxB si trova all’interno della cassetta Protezione supplementare contro i contatti diretti Indipendentemente dal regime del neutro, una protezione supplementare contro i contatti diretti è assicurata, in particolare, dall’utilizzo di DDR ad alta sensibilità (≤ 30 mA). Le norme IEC 60364 impongono in particolare l’utilizzo di tali dispositivi nei casi seguenti: • circuiti di alimentazione delle basi di prese di corrente ≤ 32 A • installazioni temporanee, installazioni mobili • installazioni da cantiere • bagni, piscine • roulotte, imbarcazioni turistiche • alimentazione di veicoli • impianti agricoli • cavi e rivestimenti riscaldanti annegati nel suolo o nelle pareti di un edificio. Tale disposizione di protezione supplementare contro i contatti diretti, secondo la norma IEC 60479, non è più accettabile quando la tensione di contatto rischi di raggiungere i 500 V: l’impedenza umana rischia di lasciare passare una corrente pericolosa superiore a 500 mA. 110 Misure di protezione contro i contatti diretti Protezione per limitazione della corrente apparecchiature speciali quali antenne televisive, recinzioni elettriche, apparecchi elettromedicali, hanno parti metalliche accessibili collegate a circuiti attivi tramite un’impedenza di valore elevato. Per garantire dal pericolo dell’elettrocuzione si deve fare in modo che la corrente che può attraversare il corpo di una persona durante il servizio ordinario non sia superiore a • 1mA in corrente alternata • 3mA in corrente continua. Le parti metalliche che non devono essere toccate durante il servizio ordinario devono presentare una tensione di contatto che non deve dar origine, attraverso il corpo della persona, a correnti non superiori a 3,5 mA in corrente alternata e a 10 mA in corrente continua. Protezione per limitazione della carica elettrica I condensatori devono essere protetti contro il contatto diretto quando viene superato un determinato valore di capacità per evitare che un’eventuale corrente di scarica, anche se impulsiva, possa provocare effetti pericolosi sulle persone. I valori massimi di capacità del condensatore sono : 111 Protezione parziale con ostacoli e allontanamento. Hanno il compito di proteggere dai contatti accidentali e di realizzare l’allontanamento di parti a tensione diversa simultaneamente accessibili (Le norme CEI 64/8 considerano parti simultaneamente accessibili quelle che si trovano a distanza inferiore a 2,5 m sia in verticale che in orizzontale e che quindi non possono convenzionalmente essere toccate contemporaneamente da una persona) Sono destinate solo alla protezione di personale addestrato e vengono applicate nelle officine elettriche. Isolamento Le misure di protezione totali consistono nell’isolamento delle parti attive e nell’uso di involucri o barriere. Le parti attive devono essere ricoperte completamente da uno strato di isolante avente spessore adeguato alla tensione nominale Vernici, lacche, smalti e prodotti simili non sono considerati idonei a garantire una adeguata protezione contro i contatti diretti. Involucri e barriere L’involucro garantisce la protezione dai contatti diretti quando esistono parti attive (ad es. morsetti elettrici) che devono essere accessibili e quindi non possono essere completamente isolate. La barriera è un elemento che impedisce il contatto diretto nella direzione normale di accesso. 112 Protezione mediante bassissima tensione di sicurezza Con i sistemi a bassissima tensione, denominati anche di categoria zero è garantita una protezione sia contro i contatti diretti che indiretti (SELV, PELV,FELV). Alimentazione - un trasformatore di sicurezza conforme alle Norme CEI 14-6, un motore generatore con gli avvolgimenti isolati come indicato dalle Norme CEI 166, una batteria un gruppo di continuità statico ad inverter ecc.. Parti attive - non è ammesso collegare a terra o a conduttori di protezione o a parti attive di altri circuiti le parti attive dei circuiti SELV e delle apparecchiature alimentate ; Masse (SELV) - è vietato collegare le masse a terra o a conduttori di protezione o a masse di altri circuiti elettrici. (PELV) è ammesso collegare le masse a terra Prese a spina - non deve essere presente il morsetto per il collegamento del conduttore di protezione e deve essere impedito l’accoppiamento con prese e spine di altri sistemi compresi quelli PELV e FELV ; Protezione contro i contatti diretti - se la tensione nominale del circuito non è superiore a 25V in c.a. e a 60V in c.c. non è necessaria alcuna protezione (a meno che il circuito non si trovi in ambienti critici come locali da bagno, piscine, luoghi conduttori ristretti ecc..). Se la tensione supera tali valori le parti attive, devono essere protette IPXXB 113 Separazione di protezione rispetto agli altri sistemi Protezione per separazione elettrica mediante trasformatore di isolamento Il circuito deve rispondere ai seguenti requisiti : • alimentazione da trasformatore di isolamento rispondente alle Norme CEI 96-2 oppure con apparecchiature aventi analoghe caratteristiche come ad esempio un gruppo motore generatore. La separazione è invece implicita se l’alimentazione proviene da sorgenti autonome (gruppo elettrogeno, batterie o altro dispositivo) non collegate alla rete; • la tensione del circuito separato non deve superare i 500 V. • il circuito separato deve essere di estensione ridotta e comunque non superiore a: e comunque non superiore a 500 m dove L è la lunghezza della linea in metri a valle del trasformatore e Un la tensione di alimentazione nominale in volt del circuito separato ; 114 ¾La separazione verso altri circuiti elettrici deve essere almeno equivalente a quella richiesta tra gli avvolgimenti del trasformatore di isolamento. ¾per il circuito separato è raccomandabile utilizzare condutture separate da quelle di altri circuiti. Ove questo non fosse possibile si devono impiegare cavi multipolari senza guaina metallica isolati per la tensione nominale del sistema a tensione più elevata. U0 (V) t (s) 120 230 400 <400 0,8 0,4 0,2 0,1 115 Un primo guasto d’isolamento potrebbe permanere per un tempo indefinito senza rischi per le persone, mentre un secondo guasto su un’altra fase di un secondo apparecchio determinerebbe un pericolo per la persona in contatto con i due apparecchi. Quando il circuito separato alimenta più di un utilizzatore ogni massa va collegata ad un conduttore equipotenziale isolato da terra, in modo che un doppio guasto a massa venga tramutato in un corto circuito e possa così essere eliminato dai dispositivi di massima corrente, posti a protezione delle singole linee, con i tempi indicati in tabella Prescrizioni da seguire per i collegamenti equipotenziali • il collegamento non deve interessare l’involucro metallico della sorgente di alimentazione; • tutte le prese del circuito separato devono avere l’alveolo di terra collegato al conduttore equipotenziale ; • il conduttore equipotenziale deve essere dotato di guaina isolante, in modo che non possa andare in contatto con conduttori di protezione, di terra o masse di altri circuiti ; • tutti i cavi di alimentazione delle utenze, tranne quelli di classe II, devono avere il conduttore di protezione incorporato che sarà utilizzato in 116 questo caso come conduttore equipotenziale ; • tutti i cavi di alimentazione delle utenze, tranne quelli di classe II, devono avere il conduttore di protezione incorporato che sarà utilizzato in questo caso come conduttore equipotenziale ; • ogni collegamento deve essere effettuato con sezioni non inferiori a 2,5 mm2 se con protezione meccanica, 4 mm2 se non è prevista alcuna protezione meccanica (il conduttore equipotenziale incorporato nel cavo di alimentazione dell’utilizzatore può avere sezione inferiore a quelle indicate ma non a quella del conduttore di fase) ; • il collettore equipotenziale principale non deve avere sezione inferiore a 6 mm2 117 L’interruttore differenziale come protezione addizionale contro i contatti diretti e protezione attiva contro i contatti indiretti L’interruttore differenziale con corrente nominale d’intervento non superiore a 30mA è riconosciuto come protezione addizionale contro i contatti diretti IDn Tempo IDn 2IDn 5IDn 0,3 s 0,15 s 0,04 s Classe AC differenziali sensibili alla sola corrente di dispersione alternata. Classe A differenziali con caratteristiche di funzionamento anche per correnti di dispersione con componenti pulsanti unidirezionali. Classe B Dispositivi differenziali con caratteristiche di funzionamento anche per le correnti di dispersione di tipo continuo. 118 Contatto fra due parti attive del sistema • se la persona è isolata da terra il dispositivo differenziale sicuramente non interviene • se la persona non è isolata da terra il differenziale può anche intervenire. Se il contatto non è simultaneo, ma prima viene toccata la fase, il dispositivo può intervenire se la corrente verso terra è maggiore di Idn e se il tempo di contatto sulla sola fase permane per il tempo minimo di non funzionamento del dispositivo. Possibili malfunzionamenti del differenziale dovuti a: ⇒Correnti di dispersione L’interruttore differenziale è sensibile alla somma vettoriale delle correnti e può non intervenire anche se la persona è percorsa da una corrente superiore a 30 mA. 119 Contatti indiretti : La protezione contro i contatti indiretti si può ottenere: • senza interruzione automatica dell’alimentazione • con interruzione automatica dell’alimentazione. Protezione senza interruzione automatica dell’alimentazione Può essere assicurata con: • l’utilizzo bassissima tensione • la separazione delle masse in modo tale che una persona non possa essere contemporaneamente in contatto con le due masse • il doppio isolamento del materiale (classe II) • la connessione equipotenziale, non collegata a terra, di tutte le masse accessibili contemporaneamente • la separazione elettrica (con trasformatore per circuiti < 500 V). 120 Protezione con interruzione automatica dell’alimentazione Consiste nel separare dall’alimentazione il circuito o il materiale che presentano un difetto d’isolamento tra una parte attiva e la massa.ù Per evitare effetti fisiologici pericolosi per una persona che venga a contatto con la parte difettosa, si limita la tensione di contatto Uc a un valore limite UL. Quest’ultimo dipende: • dalla corrente IL ammissibile per il corpo umano • dal tempo di passaggio della corrente • dallo schema del collegamento a terra • dalle condizioni dell’impianto. Le norme IEC 60364 definiscono il tempo d’interruzione massimo del dispositivo di protezione in condizioni normali (UL= 50 V), (ULè la tensione di contatto più elevata che si può mantenere indefinitamente senza pericolo per le persone), (vedi tabella) 121 Tensioni di contatto: 122 Sistema TT In regime TT, la protezione è assicurata da dispositivi differenziali. In questo caso, la sezione e la lunghezza dei conduttori non intervengono. Occorre semplicemente assicurarsi che la resistenza della presa di terra sia tale che: 123 Sistema TN e IT Quando la rete non è protetta da un dispositivo differenziale, occorre assicurarsi del buon coordinamento tra il dispositivo di protezione e la scelta dei conduttori. In effetti, se l’impedenza del conduttore è troppo elevata, si rischia di avere una debole corrente di guasto, che fa scattare il dispositivo di protezione in un tempo superiore a quello prescritto dalla norma IEC 60364. Tale corrente provoca allora una tensione di contatto pericolosa. Per limitare l’impedenza del circuito, occorre limitare la lunghezza dei conduttori di una data sezione. Sistema TN Sistema IT 124 Protezione dai contatti indiretti Protezione con componenti di classe II L’insieme dell’isolamento principale e supplementare è denominato doppio isolamento oppure, se l’isolamento è unico ma equivalente al doppio isolamento, isolamento rinforzato. Condutture di Classe II • cavi con guaina isolante di tensione superiore di un gradino rispetto a quella del sistema elettrico (isolamento rinforzato) ; • cavi unipolari senza guaina installati in tubo protettivo o in canale isolante rispondente alle Norme di prodotto ; • cavi con guaina metallica aventi isolamento idoneo alla tensione nominale del sistema elettrico tra la parte attiva e la guaina metallica e tra questa e l’esterno. 125 Protezione per mezzo di luoghi non conduttori In un ambiente isolato un contatto con una parte in tensione non è pericoloso in quando non fluisce nessuna corrente attraverso il corpo umano isolato da terra. In ogni punto si deve una resistenza verso terra : per tensioni Un< 500 V per tensioni Un> 500 V le masse devono essere lontane fra loro e le masse estranee almeno 2 m in orizzontale e 2,5 m in verticale se a portata di mano, e 1,25 m se fuori dalla portata di mano in modo che non sia possibile toccare contemporaneamente due masse o una massa o una massa estranea. ¾il locale deve essere sorvegliato da personale addestrato ¾non devono essere utilizzate prese a spina ; ¾le masse estranee uscenti dal locale devono essere interrotte con manicotti isolanti ; ¾non devono essere introdotti nel locale conduttori di protezione 126 Protezione attiva dai contatti diretti : SISTEMA TT 127 128 Protezione attiva dai contatti diretti : SISTEMA TN 129 130 131 132 Interruttori differenziali e sistema TN I differenziali possono essere utilizzati solo nei sistemi TN-S Nei sistemi TN-C l’uso combinato del conduttore di neutro e di protezione ne impedirebbe il funzionamento in caso di guasto a terra. Nei sistemi TN un guasto franco a terra costituisce un corto circuito monofase a terra quindi la corrente differenziale corrisponde ad una corrente di corto circuito. L’interruttore deve essere capace di interromperla poiché si è in presenza proprio di una corrente differenziale. Come per un interruttore magnetico contro il cortocircuito è stabilito il potere d’interruzione, cosi per l’interruttore differenziale deve essere specificato il potere d’interruzione differenziale. Se il dispositivo non è dotato di sganciatori di sovracorrente nei sistemi TN occorre verificare che il potere d’interruzione differenziale sia maggiore della corrente presunta di cortocircuito monofase a terra. In alternativa il dispositivo differenziale deve essere associato ad un dispositivo di protezione di massima corrente capace di assicurare la protezione di tutto il circuito compreso il differenziale in situazione di cortocircuito 133 Sistemi IT Si ricorre al sistema di distribuzione IT negli impianti in cui è necessario garantire la continuità Un guasto a terra in un sistema con neutro isolato da terra provoca la circolazione di una piccola corrente di guasto dovuta principalmente all’accoppiamento capacitivo dei cavi ed in misura minore ai motori e agli 134 altri componenti dell’impianto Protezione dai contatti indiretti nei sistemi IT Con il primo guasto a terra il sistema non è più isolato da terra e si trasforma in un sistema TN (con impianto di terra unico). Il doppio guasto interessa due fasi come se si trattasse di un sistema TN con una tensione uguale a alla concatenata. L’anello di guasto e la relativa impedenza non sono noti. La Norma stabilisce convenzionalmente che l’impedenza dell’anello di guasto debba essere la metà di quella permessa per un sistema TN. In questo modo dovrebbe essere possibile l’apertura di almeno uno dei due circuiti guasti Ia è la corrente che provoca l’intervento del dispositivo di protezione 135