DISPOSITIVI E SISTEMI DI PROTEZIONE

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1 DISPOSITIVI E SISTEMI DI PROTEZIONE Nell ambito delle installazioni elettriche occorre prevedere la messa in opera di sistemi di protezione di vario tipo, in relazione alle diverse condizioni di funzionamento anormale che possono verificarsi. Tipi di contatto e valori limite della tensione Una persona è sottoposta a una tensione elettrica quando è contemporaneamente a contatto con parti a diverso potenziale, per esempio se tocca con una mano una parte in tensione e i piedi sono poggiati a terra, a potenziale zero. In pratica il contatto può avvenire in due modi: mediante il contatto diretto con le parti attive dei componenti elettrici, che sono le parti normalmente in tensione per motivi funzionali, come i conduttori delle linee, i morsetti degli apparecchi, i poli delle prese; mediante il contatto indiretto con le masse, ossia con le parti conduttrici di componenti elettrici che, pur non essendo normalmente in tensione, possono assumere un potenziale diverso da zero in seguito a un guasto di isolamento; è il caso, per esempio, del contatto con la carcassa metallica di un motore (o con una parte conduttrice in contatto con essa) quando vi è una dispersione di corrente verso massa. Un contatto indiretto è il contatto di una persona con una massa o con una parte conduttrice a contatto con una massa durante un guasto all isolamento (ad esempio la carcassa di un

2 elettrodomestico). Mentre ci si può difendere dal contatto diretto, mantenendosi a distanza dal pericolo visibile, nel contatto indiretto, essendo un pericolo invisibile, ci si può difendere solo con un adeguato sistema di protezione. Limiti di pericolosità della tensione Mediante degli studi condotti a livello internazionale sui vari effetti della corrente elettrica sul corpo umano sono stati definiti dei limiti di pericolosità della tensione di contatto, considerando il valore della tensione di contatto a vuoto U ST ossia della tensione che assume la massa quando vi è un guasto d isolamento ma la persona non tocca la massa stessa. Per gli impianti utilizzatori con tensione nominale non superiore a 1000 V c.a. e a 1500 V c.c. (impianti BT), la norma CEI 64-8 definisce la tensione di contatto limite convenzionale U L come il massimo valore della tensione di contatto a vuoto che è possibile mantenere per un tempo indefinito, in condizioni ambientali specificate. I valori di tale tensione che si considerano convenzionalmente non pericolosi, qualunque sia la durata del contatto, sono: Le condizioni particolari si riferiscono alle situazioni di maggior rischio elettrico ad esempio locali a uso medico.

3 Impianto di terra L impianto di terra serve per la protezione contro i contatti indiretti, in quanto disperde nel terreno una parte della corrente di guasto (in figura) che, altrimenti, si richiuderebbe tutta nella persona a contatto con la massa. Il comportamento elettrico dell impianto di terra può essere schematizzato come quello del resistore di figura sottostante, in cui sono state evidenziate: la corrente di terra I E dispersa dall impianto di terra; la resistenza totale di terra R E che rappresenta l opposizione del mezzo (in genere il terreno) entro cui viene dispersa la corrente; la tensione totale di terra U E = R E I E pari alla d.d.p. tra l elettrodo disperdente E e un punto convenzionale T 0 a potenziale zero; in pratica T 0 rappresenta tutti i punti sufficientemente lontani dall elettrodo da poter trascurare i relativi potenziali creati dalla corrente di terra.

4 Un generico impianto di terra al servizio di un impianto elettrico utilizzatore è composto da varie parti, come schematicamente indicato nella figura seguente, in cui si distinguono: i dispersori, costituiti da corpi metallici che hanno il compito, essendo posti in contatto con il terreno, di realizzare il collegamento elettrico necessario per la dispersione della corrente di terra; il conduttore di terra che collega i dispersori tra loro e al collettore (o nodo) principale di terra ed è isolato dal terreno; i conduttori di protezione (indicati anche con la sigla normalizzata PE) che servono per il collegamento a terra delle masse degli utilizzatori fissi e dei poli di terra delle prese; alcuni PE principali vengono collegati direttamente al collettore di terra, altri effettuano la connessione tra le masse (o i poli di terra delle prese) e i PE principali; i collegamenti equipotenziali principali (EQP) che collegano le masse estranee al collettore di terra; per masse estranee si intendono i corpi conduttori che non fanno parte dell impianto elettrico (come, per esempio, i tubi metallici interrati) ma che potrebbero introdurre un potenziale pericoloso nell impianto se andassero in tensione; i collegamenti equipotenziali supplementari (EQS) che collegano le masse estranee ai PE, masse tra loro, masse con masse estranee, masse estranee tra loro; il collettore (o nodo) principale di terra a cui vengono collegati i conduttori di terra, di protezione ed equipotenziali principali; negli impianti estesi possono anche esservi più collettori di terra. La scelta dei componenti e il loro dimensionamento sono soggetti a precise prescrizioni normative; per gli impianti elettrici utilizzatori in bassa tensione valgono quelle della norma CEI 64-8.

5 Figura - Elementi dell impianto di terra Interruttore differenziale Con questo dispositivo è possibile attuare : la protezione contro i contatti indiretti ; una protezione addizionale contro i contatti diretti ; la protezione contro gli incendi causati dagli effetti termici dovuti alle correnti di guasto verso terra. La caratteristica d intervento di un interruttore differenziale definisce i valori corrente differenziale/tempo caratterizzano il funzionamento del dispositivo. d intervento che

6 Interruttore differenziale L interruttore differenziale è un dispositivo di protezione sensibile alle correnti verso terra e comunque alle correnti che possono essere disperse verso terra per mancanza di isolamento da : conduttori; apparecchi utilizzatori; persone che accidentalmente possono venire in contatto sia direttamente che indirettamente con le parti in tensione. Con riferimento alla figura, l interruttore differenziale è costituito da un nucleo magnetico sul quale sono realizzati tre avvolgimenti. Due di essi, A 1 e A 2,sono uguali come numero di spire e sezione del conduttore e vengono collegati rispettivamente al conduttore di fase e al conduttore di neutro e quando l utilizzatore è in funzione,vengono percorsi dalle correnti I 1 e I 2. Il terzo avvolgimento è realizzato con un conduttore di sezione minore ma con un maggior numero di spire; esso alimenta una bobina B che, in caso di guasto, comanda l apertura dei contatti C. In condizione di funzionamento normale i conduttori di fase e di neutro sono percorsi da correnti uguali e pertanto I 1 =I 2.Tali correnti producono nei due avvolgimenti A 1 e A 2 due flussi,ф 1 e ф 2,uguali e contrari. In tali condizioni il nucleo magnetico è percorso da un flusso nullo e sul terzo avvolgimento non si induce nessuna forza elettromotrice. In caso di guasto,poiché parte della corrente si scarica a terra, si ha che I 1 e I 2 sono tra loro diversi e di conseguenza anche i due flussi prodotti negli avvolgimenti A 1 e A 2.Il terzo avvolgimento viene pertanto interessato da un flusso differenziale Δф=ф 1 ф 2 proporzionale alla differenza fra le due correnti ΔI = I 1 - I 2 e su di esso si induce una forza elettromotrice E. Se E è sufficientemente elevata,agisce sulla bobina del dispositivo automatico e lo apre,togliendo l alimentazione al carico. Il valore di ΔI che fa

7 intervenire l interruttore differenziale si chiama corrente differenziale nominale ΔI n e per i più comuni interruttori è 30 ma. Grandezze caratteristiche degli interruttori differenziali Le prestazioni degli interruttori differenziali sono definite dalle seguenti grandezze caratteristiche : tensione nominale; corrente nominale; corrente differenziale nominale di intervento; corrente differenziale nominale di non intervento; caratteristica d intervento; categoria. La tensione nominale corrisponde al valore nominale della tensione del sistema di cui l interruttore farà parte. La corrente nominale I n è definita come il valore di corrente che l interruttore può condurre senza che la sua temperatura superi un valore limite stabilito. La corrente differenziale nominale di intervento I Δn, o sensibilità,rappresenta il valore della corrente di guasto per il quale il dispositivo sicuramente si aprirà; si dicono a bassa sensibilità gli apparecchi con I Δn > 0,03 A (30 ma) e ad alta sensibilità quelli con I Δn 30 ma. Indipendentemente dalla corrente di guasto, il differenziale apre un circuito in un tempo compreso tra 20 e 30 millisecondi. La corrente differenziale nominale di non intervento è il valore di corrente differenziale che sicuramente non determina l intervento dell interruttore; per le norme CEI tale valore deve essere pari a I Δn /2. La caratteristica d intervento di un interruttore differenziale è del tipo a scatto istantaneo anche se per bassi valori di I Δn l intervento è leggermente ritardato. Dall esame del grafico riportato in figura 1,risulta evidente l azione protettiva dell interruttore differenziale in quanto apre il circuito prima che la corrente diventi pericolosa; l interruttore differenziale ad alta sensibilità limita, quindi, il tempo per il quale la corrente percorre il corpo umano tanto da evitare la folgorazione della persona. Se le correnti non sono sinusoidali può capitare che il differenziale, dimensionato considerando alternate le grandezze del sistema, non intervenga regolarmente. Per garantire un adeguato livello di sicurezza in tutti gli impianti aventi probabilità di fughe verso terra non sinusoidali occorre adottare dispositivi con prestazioni più elevate. A tale proposito il Comitato tecnico 64 della CEI ha formulato un documento che prevede tre categorie di differenziali : tipo AC : dispositivo tradizionale che interviene solo per correnti sinusoidali; tipo A : dispositivo che, oltre ad avere le caratteristiche del tipo AC, interviene anche per correnti pulsanti;

8 tipo B : dispositivo che riassume in sé le prestazioni del tipo AC e del tipo A, sono differenziali costruiti in modo da intervenire anche con correnti di guasto la cui forma d onda presenta distorsioni causate da componenti unidirezionali di tipo continuo; vengono impiegati, negli impianti industriali, su macchine dotate di azionamenti elettronici di potenza. L interruttore differenziale,comunemente chiamato anche salvavita, non protegge l impianto da sovraccarichi o cortocircuiti e pertanto occorre sempre installare, per ogni circuito, anche un interruttore automatico magnetotermico o appositi fusibili. Un impianto funziona in regime di sovraccarico quando,per qualsiasi motivo,è interessato da un valore di corrente maggiore di quello nominale; è invece in regime di cortocircuito quando, a causa di un guasto, è interessato da correnti notevolmente superiori a quelli nominali. Apparecchio di manovra Un apparecchio di manovra è un dispositivo destinato a stabilire o a interrompere la corrente in uno o più circuiti elementari in determinate condizioni di servizio.

9 Classificazione delle sovracorrenti Solitamente le sovracorrenti vengono divise in due categorie: sovraccarichi e cortocircuiti. Il sovraccarico è tipico di un circuito elettricamente sano, interessato da una corrente non troppo maggiore di quella nominale, che può essere sopportata per un determinato tempo e produce essenzialmente sollecitazioni termiche. Esempi tipici sono la sovracorrente di spunto di un motore elettrico e il funzionamento di un cavo elettrico con corrente superiore alla propria portata. Nel caso del cortocircuito la sovracorrente è dovuta a un guasto, ossia al contatto tra due parti a diversa tensione che, facendo diminuire l impedenza totale del circuito, fa aumentare in modo significativo l intensità di corrente, producendo sollecitazioni termiche, di caratteristiche diverse da quelle del sovraccarico, sollecitazioni meccaniche per sforzi elettrodinamici e archi elettrici che possono innescare incendi ed esplosioni. Interruttore automatico magnetotermico L interruttore automatico magnetotermico è un apparecchiatura di manovra che esplicita la funzione di apertura e chiusura di un circuito sia in condizione di normale funzionamento che in condizione di sovraccarico o di corto circuito. L apertura dell interruttore è affidata a un relè termico in caso si abbia un sovraccarico, o ad un relè magnetico nel caso di cortocircuito. Il relè termico è costituito da due lamine metalliche, accostate e fissate alle estremità, di diverso materiale, che presentano differente coefficiente di dilatazione termica, che sfrutta la deformazione della lamina bimetallica (formata da due metalli sovrapposti) dovuta al calore prodotto dalla corrente per azionare il dispositivo di sgancio ; dato che all aumentare dell intensità di corrente diminuisce il tempo occorrente per avere una deformazione utile, questi dispositivi sono tipicamente del tipo a tempo inverso e sono quindi adatti alla protezione dal sovraccarico, in cui non è richiesta l interruzione immediata del circuito. Quando il circuito è interessato da una corrente superiore a quella nominale e quindi si è in regime di sovraccarico, le lamine si scaldano più del dovuto e dilatandosi in maniera differente, provocano l intervento dell interruttore.

10 Il relè magnetico è costituito da una bobina e da un nucleo magnetico provvisto di una parte mobile. La bobina, in condizione di normale funzionamento del circuito, è interessata dal passaggio di una corrente non sufficiente a far spostare la parte mobile del nucleo. Se la corrente supera il valore di taratura del dispositivo, presumibilmente una corrente dovuta a corto circuito, la forza di attrazione dell elettromagnete è tale da far muovere istantaneamente la parte mobile con conseguente apertura del circuito da proteggere. Il relè magnetico sfrutta il campo magnetico prodotto dalla corrente circolante in un bobina per far muovere la parte mobile di un nucleo magnetico e azionare il dispositivo di sgancio ;è un relè a tempo indipendente, dato che interviene non appena la forza magnetica, dipendente dall intensità di corrente, supera quella esercitata dalle molle antagoniste (che esercitano un'azione contrastante) sul nucleo mobile; per questa sua caratteristica viene usato per la protezione contro le sovracorrenti di cortocircuito. Fra i parametri che caratterizzano un interruttore automatico magnetotermico (tensione nominale, corrente nominale, ecc. )particolare importanza riveste la curva d intervento che definisce i tempi di apertura del dispositivo in funzione della corrente di sovraccarico e di corto circuito. Nella figura è riportata la caratteristica d intervento di un interruttore magnetotermico con sganciatore magnetico regolabile da 5 a 10 volte I n. Si può notare che per lo sganciatore l intervento avvenga a freddo (tempo d intervento maggiore) o a caldo, con tempo d intervento minore perché l elemento sensibile parte già da una temperatura maggiore di quella ambiente.

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12 Relè a tempo indipendente Relè a tempo indipendente in cui il tempo d intervento non dipende dal valore assunto dalla grandezza agente ; in questo caso il relè è detto a scatto istantaneo quando il tempo d intervento è determinato solo dall inerzia delle varie parti che lo compongono oppure a scatto ritardato se il tempo d intervento può essere aumentato mediante un dispositivo ritardatore. Relè a tempo dipendente Relè a tempo dipendente quando il tempo d intervento varia in funzione del valore assunto dalla grandezza agente; in genere per i relè di massima corrente(se intervengono quando la grandezza agente supera il valore di taratura impostato) il tempo diminuisce all aumentare dell intensità di corrente (relè a tempo inverso), come indicato nella figura, in cui il tempo non diventa negativo, come sembrerebbe dal grafico, in quanto gli assi sono in scala logaritmica. Fusibile I fusibili, al pari degli interruttori automatici, sono dispositivi di protezione contro le sovracorrenti, sia di sovraccarico sia di corto circuito. I fusibili vengono collegati in serie al conduttore che devono proteggere e il loro intervento si ha quando la corrente, superando il valore nominale, provoca la fusione dell elemento fusibile, interrompendo il circuito. Essi sono caratterizzati da rapidità di intervento, elevato potere di interruzione, dimensioni ridotte e costo limitato e per tale motivo vengono impiegati negli impianti elettrici in alternativa agli interruttori automatici. Rispetto a questi ultimi presentano, però, alcuni aspetti negativi : - non assicurano, in caso di intervento, la contemporanea interruzione di tutte le fasi del circuito; - richiedono tempi di ripristino del circuito relativamente alti; - non sono sempre disponibili ricambi identici a quelli da sostituire; - le dimensioni non sono unificate.

13 Protezione contro i contatti diretti e indiretti Contatti diretti Le protezioni contro i contatti diretti si distinguono in : totali; parziali; addizionali. Protezione totale Le misure di protezione totale sono quelle che vengono normalmente adottate nel caso di impianti accessibili anche a persone non aventi conoscenze tecniche o esperienza sufficienti a evitare i pericoli dell elettricità (persone non addestrate) e consistono nell isolamento delle parti attive e nell uso di involucri o barriere; il termine totale indica che queste misure impediscono sia il contatto accidentale che volontario. L isolamento che effettua una protezione totale è l isolamento delle parti attive, ossia delle parti che normalmente sono in tensione. Esso deve possedere i seguenti requisiti: - deve ricoprire completamente le parti attive; - deve essere asportabile solo mediante rottura; - deve resistere a tutte le sollecitazioni di carattere elettrico, meccanico, termico, alle quali può essere soggetto durante l uso. Per quelle parti attive che devono essere accessibili per riparazione o manutenzione, si adottano gli involucri oppure le barriere. Un esempio di involucro è costituito da una cassetta di derivazione, all interno della quale è possibile effettuare la giunzione fra due tratti di cavo. Gli involucri assicurano un determinato grado di protezione contro la penetrazione di corpi solidi o liquidi, mentre le barriere sono degli elementi che assicurano un determinato grado di protezione contro i contatti diretti solo lungo le normali direzioni di accesso. Protezione parziale Le misure di protezione parziale hanno il compito di proteggere dai contatti accidentali. Sono usate in luoghi accessibili solo a personale addestrato e possono essere realizzate mediante ostacoli o distanziamento. Gli ostacoli hanno il compito di impedire l avvicinamento e il contatto non intenzionale della persona con le parti attive dell impianto sotto tensione; essi devono essere rimossi solo intenzionalmente. La rete metallica che impedisce l accesso alla cella di un trasformatore è un esempio di ostacolo. La protezione mediante distanziamento serve a evitare che parti di impianto a tensione diversa siano accessibili contemporaneamente.

14 Protezione addizionale È ammesso, come protezione addizionale, l'utilizzo dell interruttore differenziale ad alta sensibilità, con correnti di intervento non superiore a 30mA. L'utilizzo del differenziale è in aggiunta (ma non in sostituzione) delle misure precedenti. Contatti indiretti I sistemi di protezione contro i contatti indiretti si dividono in due categorie: protezione mediante l interruzione automatica dell alimentazione: per ogni circuito si effettua coordinando l impianto di terra (di resistenza R E ) con l interruttore differenziale, secondo la relazione : R E I dn U L. protezione senza interruzione automatica dell alimentazione, che si può realizzare in vari modi ed è da considerare una misura di protezione di tipo preventivo, tendente a impedire che possano verificarsi situazioni di pericolo; dato che l alimentazione del circuito non viene interrotta, migliora la continuità di servizio. La protezione contro i contatti indiretti senza l interruzione automatica dell alimentazione può essere ottenuta in vari modi, tra i metodi più diffusi figurano l impiego di componenti di classe II (a doppio isolamento, da non collegare all impianto di terra) e la separazione elettrica mediante trasformatore d isolamento.

15 Gradi di protezione degli involucri Gli involucri che racchiudono la parti attive di singoli componenti elettrici oppure che contengono insiemi di apparecchi associati (per esempio la struttura di contenimento di un quadro elettrico) sono caratterizzati da una sigla composta dal codice IP (International Protection), da due cifre caratteristiche, da una lettera aggiuntiva e da una lettera supplementare, aventi il significato seguente: la prima cifra caratteristica indica sia il grado di protezione relativo al contatto con parti pericolose sia quello contro l accesso di corpi solidi estranei; la seconda cifra caratteristica indica il grado di protezione contro la penetrazione di liquidi; la lettera aggiuntiva viene usata quando, a causa della presenza di eventuali ostacoli oppure per il distanziamento delle parti attive, il grado di protezione offerto dall involucro contro il contatto diretto è superiore a quello contro i corpi solidi; la lettera supplementare viene usata per fornire ulteriori informazioni sul componente. Le due cifre sono obbligatorie; quando una o ambedue non vengono utilizzate devono essere sostituite con la lettera X. Le due lettere finali possono, invece, essere omesse. Nella tabella sono riportati i significati delle cifre e della lettera aggiuntiva. Il grado di protezione viene stabilito mediante prove convenzionali e va scelto in maniera appropriata, in funzione del luogo d installazione e tenendo conto delle indicazioni normative. Per esempio, se si vuole proteggere dalla polvere e dalla pioggia un apparecchiatura installata all aperto di deve adottare almeno il grado di protezione IP54. Se è richiesta soltanto la protezione completa contro i contatti diretti, il grado di protezione dovrà essere IPXXD, non essendo necessario specificare le due cifre caratteristiche.

16 Isolamento e classe dei componenti L isolamento presente negli apparecchi elettrici viene classificato a seconda della funzione che svolge. L isolamento funzionale è quello che rende possibile il funzionamento dell apparecchio, isolando tra loro le parti a diversa tensione. L isolamento principale è quello che isola le parti attive verso l esterno e ha lo scopo di proteggere dalle tensioni di contatto. L isolamento supplementare è un isolamento indipendente, che viene aggiunto a quello principale per assicurare la protezione dalle tensioni di contatto in caso di cedimento di quest ultimo. L insieme dei due costituisce il doppio isolamento. Quando vi è un isolamento unico, in grado di assicurare lo stesso grado di protezione di quello doppio, si parla di isolamento rinforzato. Nella figura sono evidenziati schematicamente i diversi tipi di isolamento. In funzione del tipo d isolamento di cui sono provvisti e della presenza o meno di un dispositivo per il collegamento a terra delle masse mediante un conduttore di protezione (per esempio il morsetto di terra), i componenti vengono classificati in quattro classi : I componenti di classe 0 sono apparecchiature elettriche provviste del solo isolamento principale e non aventi alcun dispositivo per il collegamento delle masse a un conduttore di protezione. Questi apparecchi non possono essere collegati a terra;

17 I componenti di classe I sono apparecchiature elettriche provviste del solo isolamento principale e aventi un dispositivo per il collegamento delle masse a un conduttore di protezione. Appartengono a questa categoria la maggior parte degli apparecchi utilizzati nelle normali installazioni elettriche. I componenti di classe II sono apparecchiature elettriche provviste di isolamento doppio o rinforzato; dato che non devono essere collegate all impianto di terra, non hanno il dispositivo di collegamento al conduttore di protezione. Sono detti anche componenti a doppio isolamento. I componenti di classe III sono apparecchiature elettriche aventi un isolamento ridotto in quanto destinate a essere alimentate soltanto mediante sistemi a bassissima tensione di sicurezza, in cui vi è una protezione intrinseca, dato che non si possono generare tensioni di valore superiore a quello del sistema di alimentazione.