Guida agli impianti di illuminazione esterna - prima parte -

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1 Guida agli impianti di illuminazione esterna - prima parte - Pubblicato il: 30/01/2006 Aggiornato al: 30/01/2006 di Gianluigi Saveri Gli impianti di illuminazione esterna comprendono tutti gli impianti installati all aperto, completamente o in parte, come ad esempio quelli per l illuminazione di strade, parchi, campi sportivi, gallerie, sottopassaggi, illuminazione di monumenti, ecc.. La progettazione di questo tipo di impianti è piuttosto complessa ed implica conoscenze interdisciplinari. 1. Generalità Gli impianti di illuminazione esterna comprendono tutti gli impianti installati all aperto, completamente o in parte, come ad esempio quelli per l illuminazione di strade, parchi, campi sportivi, gallerie, sottopassaggi, illuminazione di monumenti, ecc.. (fig. 1). La progettazione di questo tipo di impianti è piuttosto complessa ed implica conoscenze interdisciplinari che si possono mettere in campo nella maggior parte dei casi solo con un lavoro di gruppo prestato da professionisti con competenze rispettivamente nel campo elettrico, illuminotecnico ed edile. La presente guida prende in esame soprattutto gli aspetti inerenti la sicurezza, trattati dalla Norma CEI 64-8, con specifico riferimento alla sezione 714 Impianti di illuminazione situati all esterno. Fig.1: Esempi di impianti di illuminazione esterna Per quanto concerne le caratteristiche meccaniche dei pali, materiali, dimensioni, protezione dalla corrosione, verifica della stabilità si rimanda invece alla Norma CEI 11-4, quando i sostegni sorreggono anche linee aeree, e alla serie di Norme UNI EN 40. Saranno inoltre presi in considerazione i soli impianti in derivazione a bassa tensione (anche se alcuni componenti dell impianto possono presentare alcune parti ad alta tensione) ritenendo ormai completamente abbandonati i cosiddetti impianti in serie a corrente costante alimentati in alta tensione a qualche migliaio di volt. La scelta e la posa in opera delle condutture deve invece rispondere alla Norma CEI 11-4 per le linee aeree esterne e alla Norma CEI per le linee in cavo interrato o posato in aria. Un impianto di illuminazione esterno è essenzialmente costituito da: apparecchi di illuminazione; sostegni (pali, bracci, mensole, ecc..); linee di alimentazione costituite generalmente da cavi aerei o interrati; apparecchi di comando e protezione (interruttori magnetotermici, interruttori differenziali, teleruttori comandati da interruttori crepuscolari, ecc..). L impianto è accessibile al pubblico ed è sottoposto a sollecitazioni ambientali gravose che impongono l adozione di provvedimenti di protezione aggiuntivi. 1

2 2. Protezione contro i contatti diretti e indiretti Negli impianti di illuminazione esterna la protezione contro i contatti diretti viene attuata principalmente proteggendo le parti attive mediante isolamento, barriere, o involucri con adeguato grado di protezione mentre la protezione dai contatti indiretti può essere ottenuta secondo una delle seguenti modalità (fig. 2): messa a terra e interruzione automatica dell alimentazione; componenti di classe II; separazione elettrica. Protezione contro i contatti diretti L apertura degli involucri che danno accesso a parti attive deve essere possibile solo mediante l impiego di specifico attrezzo e, se posti a meno di 2,5 metri da terra, rispetto le parti attive deve essere garantito almeno un grado di protezione IPXXB (inaccessibilità al dito di prova) oppure deve essere previsto un Fig.2: Modi di protezione contro i contatti indiretti ulteriore schermo con lo stesso grado di protezione. Se lo sportello di apertura dell involucro è posto in locale accessibile solo a persone autorizzate queste precauzioni possono essere evitate. Con l eccezione degli apparecchi installati ad un altezza superiore a 2,8 m, le lampade degli apparecchi di illuminazione devono essere accessibili solo dopo aver rimosso mediante attrezzo una barriera o un involucro di protezione. In pratica per la sola protezione contro i contatti diretti si potrebbero adottare come grado di protezione minimo quelli in dicati in figura 3. L uso di interruttori differenziali con corrente differenziale nominale inferiore a 30 ma si ritiene fornisca una protezione addizionale contro i contatti diretti. Protezione contro i contatti indiretti Impiego di componenti di classe II ( isolamento doppio o rinforzato) Fig.3: Esempio di gradi di protezione minimi da adottare negli impianti di illuminazione esterna per la protezione Gli apparecchi di classe II non richiedono la messa a terra anzi, per motivi di sicurezza, è addirittura vietata. Non è quindi necessario mettere a terra i sostegni metallici e nemmeno preoccuparsi del corretto coordinamento dell impianto di terra con i dispositivi di interruzione. Si può tra l altro evitare l uso dell interruttore differenziale e i possibili disservizi legati 2

3 all intervento indesiderato di tali dispositivi come ad esempio accade durante i temporali. Naturalmente tutti i componenti elettrici devono essere di classe II e devono essere assemblati con cura onde evitare che a causa di una cattiva installazione si comprometta l originario isolamento doppio o rinforzato. Particolare attenzione va posta alle operazioni di posa del cavo soprattutto all ingresso nel palo dove potrebbero verificarsi danneggiamenti all isolante difficilmente individuabili durante le operazioni di posa. Per poter essere considerati di classe II i cavi devono essere del tipo con guaina con tensione nominale U 0 /U di un gradino superiore rispetto a quella di alimentazione dell impianto. Se la tensione di alimentazione è 400/230 V potranno essere scelti da 0,6/1 kv. I cavi devono essere attestati in cassette di derivazione e morsettiere di classe II (fig. 4) e gli apparecchi di illuminazione sempre di classe II devono permettere un pratico e sicuro collegamento del cavo in modo che sia sempre garantita la classe II (fig. 5). Fig.4: Protezione con componenti di classe II. Particolare della morsettiera. L insieme morsettiera cassetta di derivazione deve fornire un isolamento di classe II Separazione elettrica L impiego della separazione elettrica può dimostrarsi conveniente per piccoli impianti e per singoli apparecchi installati in zone isolate. L alimentazione deve essere fornita da un trasformatore con isolamento doppio o rinforzato oppure con schermo metallico fra primario e secondario collegato a terra (Norme CEI 96-3 CEI 96-2 e CEI 96-8) e si può così evitare la messa a terra e l uso dell interruttore differenziale (la messa a terra non può ovviamente essere completamente evitata se il trasformatore presenta uno schermo metallico). Il circuito isolato da terra deve essere poco esteso e comunque il prodotto della lunghezza del circuito per la tensione in volt non deve essere superiore a Vm. La protezione si realizza isolando il circuito rispetto la terra ed impedendo in tal modo alla corrente di guasto di richiudersi verso terra, mancando qualsiasi collegamento a terra di un punto del circuito separato ed essendo trascurabili le capacità verso terra del circuito di piccola estensione (fig. 6). La condizione ideale consiste nell alimentare Fig.5: Protezione con componenti di classe II. ogni apparecchio con un trasformatore di isolamento. Se un trasformatore alimenta più apparecchi occorre evitare la situazione descritta in figura 7. Un primo guasto su una fase di un apparecchio può stabilirsi per un tempo imprecisato senza pericolo per la persona. Un successivo guasto su di un altra fase di un secondo apparecchio potrebbe costituire un grave pericolo per la persona a contatto con i due apparecchi. 3

4 Il collegamento equipotenziale fra le masse trasforma il doppio guasto in un corto circuito che come tale può essere interrotto nei tempi stabiliti (0,4 s se U 0 /U=230/400 V) dai dispositivi di massima corrente opportunamente coordinati posti a protezione dei singoli utilizzatori (fig. 8). Fig. 6 Protezione per separazione elettrica. Il trasformatore di isolamento alimenta un circuito di piccola estensione con un solo apparecchio utilizzatore. In caso di guasto la persona non è sottoposta a pericoli perché attraversata da una corrente capacitiva di piccola entità. Fig. 7 Protezione per separazione elettrica. Il trasformatore di isolamento tramite un circuito di piccola estensione alimenta più apparecchi utilizzatori. In caso di doppio guasto la persona a contatto con i due apparecchi può essere sottoposta ad una tensione di contatto pericolosa. Fig. 8 Protezione per separazione elettrica. Il trasformatore di isolamento tramite un circuito di piccola estensione alimenta più apparecchi utilizzatori. Il collegamento equipotenziale fra le masse collegate fra loro ma non a terra evita per la persona il pericolo di contatto pericoloso 4

5 3. Interruzione automatica dell alimentazione e messa a terra Sistemi TT Il sistema TT prevede una protezione da realizzarsi secondo le prescrizioni generali fornite dalla norma CEI 64-8 che prevedono una protezione di tipo differenziale coordinata con opportuno impianto di messa a terra. Tutte le masse dell impianto di illuminazione dovranno essere connesse allo stesso impianto di terra mediante un conduttore di protezione. Non è ammesso collegare singolarmente a terra i pali protetti da uno stesso interruttore differenziale (da notare che la vecchia norma prevedeva la possibilità di collegare a terra ogni palo con un dispersore a picchetto indipendente) e il dispositivo di interruzione automatica (quasi sempre un interruttore differenziale) dovrà soddisfare la nota relazione RA I dn 50 V(fig. 9). Fig. 9 - Non è ammesso collegare a terra separatamente ogni palo protetto dallo stesso interruttore differenziale perché un doppio guasto in successione, prima sul neutro del primo palo e poi sulla fase del secondo palo, potrebbe non essere rilevato dal dispositivo differenziale: un guasto sul neutro del primo palo non determina generalmente l intervento dell interruttore differenziale e consecutivamente un guasto sulla fase del secondo palo può dar luogo a tensioni pericolose sulle masse perché il dispositivo differenziale rileva una corrente I2-I1 che potrebbe non essere sufficiente a farlo intervenire Se i cavi di alimentazione, come spesso accade, sono a posa interrata i pali possono essere agevolmente collegati fra loro mediante una semplice corda di rame nuda di sezione uguale o maggiore a 35 mm 2 oppure mediante un piatto di acciaio zincato di sezione pari a 50 mm 2 (fig. 10). Per migliorare le caratteristiche complessive del dispersore è possibile sfruttare quale dispersore di fatto la parte interrata del palo collegandolo alla corda nuda interrata (fig. 11). Fig.10: Impianto di terra unico ottenuto collegando ogni centro luminoso ad una corda nuda di rame interrata Naturalmente è sempre possibile, anche se poco pratico, collegare a terra ogni palo con singoli picchetti purché interconnessi fra di loro a costituire un unico impianto di terra (fig. 12). 5

6 Sistemi TN L impianto di illuminazione può essere alimentato da propria cabina con sistema di tipo TN. L impianto di terra è unico sia per il centro stella del trasformatore sia per le masse dell impianto e della cabina e l impedenza dell anello di guasto deve soddisfare la condizione I a < U 0 / Z s. Non sono più indispensabili gli interruttori differenziali e la corrente Ia è la corrente che provoca l intervento del dispositivo di protezione (generalmente un interruttore magnetotermico o un fusibile) in 0,4 s (in alcuni casi come nei circuiti di distribuzione la norma dilata i tempi a 5 s). Fig.11:Impianto di terra unico ottenuto collegando la base di ogni palo a una corda nuda di rame interrata.la base del palo annegata nel cemento è considerata dispersore di fatto(contatto col terreno) Ovviamente se si utilizzano interruttori differenziali la Ia coincide con la I dn. U 0 è la tensione nominale verso terra dell impianto e Z s è l impedenza dell anello di guasto determinata al centro luminoso più lontano. Devono essere inoltre rispettate le prescrizioni indicate dalla Norma CEI 11-1 per un guasto a terra sul lato alta tensione. Se i centri luminosi si trovano fuori della zona equipotenziale, ovvero se gli stessi si trovano in una zona del terreno che presenta un potenziale quasi nullo, un guasto sulla media potrebbe introdurre sui pali una tensione di contatto a vuoto tendente alla tensione totale di terra. Si rende necessaria in tal caso la misura delle tensioni di contatto (U T ) per verificare che non sia superata la tensione di contatto ammissibile (U TP ) relativamente ai tempi di interruzione indicati dal distributore. Fig.12: Impianto di terra unico ottenuto collegando ogni palo con singoli picchetti interconnessi fra loro mediante conduttore di terra isolato 6

7 Fig.13:Alimentazione di impianto di illuminazione esterna tramite sistema TN 7

8 4. Impianto di terra Dimensioni minime dei componenti La sezione minima dei vari elementi costituenti l impianto di terra si determina seguendo le prescrizioni generali previste nella Norma CEI Fig.14: Dimensioni minime dei dispersori intenzionali Spesso le derivazioni fra i vari pali viene eseguita nella morsettiera inserita in ciascun palo. In questo caso il conduttore di protezione (PE) deve avere sezione compatibile con quella della dorsale. Il conduttore di terra che collega il palo al dispersore, se come spesso accade non è protetto ne contro la corrosione ne meccanicamente, deve avere sezione pari a 25 mm 2 se in rame e 50 mm 2 se in ferro. In considerazione delle caratteristiche ambientali particolarmente gravose e della presenza di pubblico è comunque consigliabile non scendere al di sotto dei 16 mm 2 per le parti accessibili. In ogni caso dispersori, conduttori di protezione e di terra devono presentare le dimensioni minime indicate nelle figure. Il collegamento all impianto di terra di estese strutture metalliche (ad esempio recinzioni e guard-rail) deve in genere essere evitato. Si ritiene infatti che anziché limitare il pericolo di contatto fra parti simultaneamente accessibili come si desidererebbe ci sia invece maggiore rischio che tensioni pericolose possano essere trasferite in un punto più lontano difficilmente controllabile (fig. 17). 8

9 Fig.15:Sezioni minime dei conduttori di terra Negli impianti di illuminazione pubblica non è praticamente possibile tenere sotto controllo la situazione (controllare che le varie parti della recinzione siano elettricamente connesse e che il pericolo non sia introdotto in nessun punto per tutta la lunghezza della recinzione spesso notevolmente estesa). 9

10 5. Fig.16:Sezioni minime dei conduttori di protezione Fig. 17: Deve essere evitato il collegamento all impianto di terra di estese strutture metalliche. Il collegamento equipotenziale fra le masse dell impianto di illuminazione e la recinzione metallica impedisce lo stabilirsi di tensioni pericolose fra i due elementi ma introduce il pericolo che tensioni pericolose possano essere trasferite in punti lontani difficilmente controllabili. La persona a contatto contemporaneamente con la recinzione metallica e con una conduttura idrica a potenziale praticamente nullo è sottoposta ad un grave pericolo. 10

11 5. Dimensionamento elettrico La schermatura di un campo La corrente di impiego I B in ciascun tronco fra un centro luminoso e l altro è data, posto uguale a uno il fattore di contemporaneità, dalla somma della corrente assorbita da ciascuna lampada derivata a valle. La corrente di impiego è quindi massima all inizio della dorsale, decresce spostandosi a valle, fino a corrispondere al valore di corrente assorbito dall ultima lampada nel tratto terminale in fondo alla linea. Nota la potenza e la tensione di alimentazione la corrente di impiego I B può essere calcolata nel seguente modo: P (W) Circuito fase-neutro o fase-fase IB = U (V) cos φ P (W) Circuito trifase IB = 1,73 U (V) cos φ Dove: U è la tensione fase-neutro o fase-fase nel primo caso e la tensione concatenata per i circuiti trifase.; cosfi è il fattore di potenza variabile a seconda che il carico sia resistivo (lampade ad incandescenza cosfi=1) oppure induttivo (lampade fluorescenti rifasate cosfi=0,9) Calcolata la I B si può scegliere il cavo in funzione della portata (I Z >I B ) che dipende, oltre che dalla sezione, dal tipo di conduttore, dall isolante e dalle condizioni di posa. Negli impianti di illuminazione esterna la portata però passa spesso in secondo piano rispetto alla caduta di tensione, risultando predominante il vincolo di quest ultima. 11

12 6. Sezionamento e protezione contro le sovracorrenti All inizio dell impianto si deve installare un adeguato dispositivo di sezionamento onnipolare individuabile generalmente nello stesso interruttore automatico di protezione della linea dorsale dalle sovracorrenti. Gli apparecchi di illuminazione per costruzione non possono dal luogo a sovraccarichi pertanto la Norma CEI 64-7, escludendo una tale eventualità, non ne richiede la protezione. E richiesta invece la protezione contro il corto circuito secondo i criteri generali riportati nella Norma CEI Il potere di cortocircuito I cn (interruttori per uso domestico - CEI 23-3) o il potere di interruzione estremo I cu (interruttori per uso industriale - CEI 17-5) non deve essere inferiore alla corrente presunta di cortocircuito nel punto di installazione e l energia specifica I 2 t lasciata passare dal dispositivo di protezione durante il cortocircuito non deve essere superiore a quella ammissibile dal cavo K 2 S 2. Seppur non richiesta la protezione dei circuiti contro il sovraccarico è comunque sempre consigliata. Si migliora la sicurezza e si evita la verifica di corretto intervento dei dispositivi di protezione quando il corto circuito si manifesta in fondo a linee lunghe. La protezione da sovraccarico è assicurata quando la corrente nominale I n del dispositivo di protezione (interruttore automatico o fusibile) è minore o al limite uguale alla portata I Z del cavo e la corrente I f, corrente che assicura l effettivo funzionamento entro il tempo convenzionale ed in condizioni definite del dispositivo di protezione, è al massimo uguale a 1,45 volte la portata I Z del cavo. Inoltre la I n del dispositivo di protezione deve e essere maggiore della corrente di impiego I B del circuito e di valore sufficiente a sopportare eventuali spunti di corrente che si possono presentare all accensione di lampade a scarica o a vapori di sodio. Riassumendo deve essere: I B I N I Z I f 1,45 I Z dove: I B - corrente d impiego del circuito; I N - corrente nominale del dispositivo di protezione; I Z - portata in regime permanente della conduttura; I f - corrente che assicura l effettivo funzionamento del dispositivo di protezione entro il tempo convenzionale ed in condizioni definite. 12