Classificazione e principali fenomeni

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1 Classificazione e principali fenomeni Maurizio Monticelli mauriziomonticelli@libero.it 1

2 Sommario 1) Classificazione degli impianti elettrici 2) Sovratensioni 3) Sovracorrenti 2

3 1) Classificazione degli impianti elettrici Definizione di impianto elettrico: complesso di componenti elettrici, anche a tensioni nominali di esercizio diverse (a ciascuna corrisponde un sistema) destinato a una determinata funzione. 3

4 1) Classificazione degli impianti elettrici Definizione di rete di distribuzione: Impianto elettrico, destinato alla distribuzione dell'energia elettrica agli impianti utilizzatori 4

5 1) Classificazione degli impianti elettrici Definizione di tensione nominale: valore di tensione con il quale è denominato il sistema, nei sistemi trifasi è la tensione concatenata. La scelta del valore della tensione nominale è un problema tecnico-economico. In prima approssimazione, a pari potenza richiesta con l'aumentare della tensione, diminuisce il dimensionamento termico degli elementi di un impianto (e quindi anche le perdite) però aumenta il costo per quanto attiene l'isolamento degli stessi. Gli im pianti devono essere costruiti ed eserciti in m odo che 0,9 Un U 1,1 Un. Per i sistemi di distribuzione in bassa tensione i valori nominali della tensione stabiliti dalle Norme CEI sono: 230 V fra fase e neutro e 400 V fra le fasi per le reti trifasi a quattro conduttori. 5

6 1) Classificazione degli impianti elettrici Classificazione secondo la tensione nominale. Note: Categoria Tensione continua (V) Tensione alternata (V) 0 (1) V n 120 non ondulata V n 50 I (2) 120 < V n < V n 1000 II 1500 < V n < Vn III < V n < V n (1)I sistemi di categoria 0 vengono divisi in tre sottocategorie: - SELV (Safety Extra Low Voltage): Bassissima Tensione di Sicurezza; - PELV (Protection Extra Low Voltage): Bassissima Tensione di Protezione; - FELV (Functional Extra Low Voltage): Bassissima Tensione Funzionale. (2)I sistemi di 1 a categoria collegati direttamente a terra devono presentare una tensione verso terra non superiore a 600V c.a. e 900V c.c. La tensione effettiva può variare entro le abituali tolleranze. 6

7 1) Classificazione degli impianti elettrici Classificazione secondo il collegamento a terra dei sistemi di categoria I Sistema Stato del neutro della rete Collegamento della massa TN-C A terra Diretto al conduttore di neutro (PEN) { Al conduttore di neutro per mezzo del TN TN-S A terra conduttore di protezione (PE) TN-C-S A terra In parte al PEN in parte al PE TT A terra A impianto di terra locale indipendente dal neutro IT Isolato o connesso a terra A impianto di terra locale separato o tramite impedenza unito a quello del neutro Note: Prima lettera - Situazione del sistema rispetto a terra: T = collegamento diretto a terra di un punto (in genere il neutro); I = isolamento da terra, oppure collegamento di un punto (in genere il neutro) a terra tramite un'impedenza. Seconda lettera - Situazione della massa rispetto a terra: T = collegamento a terra; N = collegamento al punto del sistema elettrico collegato a terra. 7

8 1) Classificazione degli impianti elettrici Stato del neutro nei sistemi di trasporto e distribuzione trifase dell energia elettrica Sistemi trifasi Categoria prima (reti a bassa tensione) Categoria seconda (reti a media tensione) Categoria terza (reti ad alta tensione) Stato del neutro A terra, direttamente A terra, tramite reattanza (bobine di Petersen) A terra, direttamente Motivazioni principali (Norme CEI 99-2 e 99-3) Sicurezza persone e limitazione tensioni di isolamento apparecchiature collegate Limitazione correnti di guasto omopolare e conseguentemente anche dei valori tensioni di passo e contatto. Maggiore selettività fra protezioni ENEL e utente. Riduzione livelli di isolamento (e costo) degli elementi di impianto 8

9 1) Classificazione degli impianti elettrici Sistema TN: il neutro è collegato direttamente a terra. Le masse sono collegate al conduttore di neutro, direttamente (TN-C) o tramite un conduttore di protezione (TN-S). Il conduttore che svolge la funzione sia di conduttore di neutro (N), sia di conduttore di protezione (PE), assume la denominazione di conduttore PEN. 9

10 1) Classificazione degli impianti elettrici Sistema TT: il neutro è collegato direttamente a terra. Le masse sono collegate a un impianto di terra locale, elettricamente indipendente da quello del neutro. 10

11 1) Classificazione degli impianti elettrici Si st ema IT: il neutro, è isolato o connesso a terra tramite un'impedenza. Le masse sono collegate a un impianto di terra locale, che può essere separato o unito a quello eventuale del neutro. 11

12 2) Sovratensioni Definizione di sovratensione: tensione anomala superiore a quella di esercizio, in base alla quale vengono dimensionati i livelli di isolamento e predisposti i dispositivi di protezione. Le sovratensioni possono essere originate da scariche atmosferiche o da fenomeni transitori interni alla rete (ad es. brusche variazioni dei carichi). 12

13 2) Sovratensioni Effetti delle sovratensione: in generale causano la sfondamento dell isolamento, con effetti termici più o meno devastanti: quelle più leggere si limitato al danneggiamento degli apparati elettronici mentre quelle più pesanti possono determinare la completa distruzione degli impianti. 13

14 2) Sovratensioni Categoria di tenuta all impulso degli apparecchi utilizzatori. 14

15 3) Sovracorrenti Definizioni Sovracorrente: qualsiasi corrente superiore a quella nominale, che si verifica in condizioni di sovraccarico o di cortocircuito. Sovraccarico: assorbimento da parte dell'impianto, non danneggiato, per cause diverse, di una corrente superiore a quella normale di impiego (portata). Cortocircuito: assorbimento da parte dell'impianto danneggiato di correnti notevolmente superiori a quelle normali, a causa di un guasto tra le fasi o tra fase (o fasi) e la massa (perdita dell isolamento). 15

16 3) Sovracorrenti Sovraccarico Può essere: - funzionale (per esempio: corrente di spunto nella fase di avviamento di un motore); - anomalo (per esempio: eccessivo inserimento di carichi elettrici, rispetto a quelli previsti). 16

17 Il sovraccarico provoca il riscaldamento anomalo dei componenti con conseguente: decadimento delle caratteristiche meccaniche dei metalli; decadimento delle caratteristiche dielettriche degli isolanti; pericolo di incendi. 3) Sovracorrenti Sovraccarico Curve di invecchiamento isolamento dei cavi La durata di vita convenzionale si riduce quando si supera la temperatura di riferimento per un certo tempo. Si è assunto che un cavo possa subire fino a 100 eventi di sovracorrente convenzionali (quindi anche di sovratemperatura) nell arco della sua vita, ciascuno dei quali abbia il medesimo effetto di invecchiamento sul cavo. Considerando una riduzione di vita totale del 10% rispetto alla vita convenzionale corrispondente alla massima temperatura ammessa in funzionamento normale (70 C per il PVC), ciascun evento di sovracorrente convenzionale provoca una riduzione della vita del cavo pari allo 0,1% della vita convenzionale. 17

18 3) Sovracorrenti Sovraccarico degli utilizzatori e delle condutture e relativa protezione secondo le Norme CEI 64-8 Alimentazione Sovraccaricabile: Utilizzatore Criterio di dimensionamento (3) Conduttura Possibilità di sovraccarico Protezione contro il sovraccarico -motore I n I z Sì Richiesta Conduttura di -presa a spina alimentazione di un Non sovraccaricabile: singolo utilizzatore -utilizzatore termico I b I z No Non richiesta (linea di alimentazione) -apparecchio di illuminazione Singolarmente protetto contro i sovraccarichi I n I z No Non richiesta (1) In luoghi con pericolo di esplosione o di incendio I n I z (2) Richiesta Conduttura di alimentazione di un gruppo di utilizzatori Sovraccaricabile e singolarmente protetto: -quadro di distribuzione -quadro di alimentazione e di comando di un utilizzatore complesso -linea dorsale (conduttura con derivazioni) ΣI ni I z (f c = 1) ΣI ni > Iz (f c < 1) No Sì Non richiesta Richiesta Non sovraccaricabile: ΣI bi I z No Non richiesta (f -utilizzatori termici c = 1) ΣI bi > Iz -apparecchi di illuminazione Sì Richiesta (f c < 1) (1) Poiché la protezione propria contro i sovraccarichi dell'utilizzatore è prevista in relazione alle esigenze di quest'ultimo, è necessario che essa sia anche atta a prevenire il sovraccarico della conduttura. (2) Le norme CEI comprendono fra le condutture soggette a sovraccarico tutte le condutture installate nei luoghi con pericolo di esplosione o di incendio. (3) f c = fattore di contemporaneità. I b = corrente di impiego che percorre la conduttura in condizioni normali; I n = corrente nominale del dispositivo di protezione; I z = corrente corrispondente alla portata della conduttura. 18

19 3) Sovracorrenti Cortocircuito Dalla norma CEI 11-25: Corrente simmetrica iniziale di cortocircuito (I k): valore efficace della componente simmetrica alternata di una corrente presunta (esistente) di cortocircuito, nell istante in cui si manifesta il cortocircuito, se l impedenza conserva il suo valore iniziale. Corrente di cortocircuito permanente (Ik): valore efficace della corrente di cortocircuito che rimane dopo l estinzione dei fenomeni transitori. Valore di cresta della corrente di cortocircuito (ip): massimo valore istantaneo possibile della corrente presunta (esistente) di cortocircuito. LEGENDA a = Corrente b = Inviluppo superiore c = Componente continua i c.c. della corrente di cortocircuito d = Tempo e = Inviluppo inferiore I k = corrente iniziale simmetrica di cortocircuito. ip = valore di cresta della corrente di cortocircuito. Ik = corrente di cortocircuito permanente. ic.c = componente continua (aperiodica) della corrente di cortocircuito A = valore iniziale della componente aperiodica. 19

20 3) Sovracorrenti Calcolo semplificato delle correnti di cortocircuito nei sistemi TN Valore efficace della corrente di cortocircuito (I cc ): Corrispondente anche ai valori efficaci di I k e di I k. Fattore di potenza di cortocircuito (cosϕ cc ): I cc = U Z cc dove: U cc : è la tensione fra le parti prima del cortocircuito. Z cc : è l impedenza complessiva dell anello di guasto. cosϕ cc = cc dove: R cc : è la resistenza complessiva dell anello di guasto. Z cc : è l impedenza complessiva dell anello di guasto. i p = cc R Z K 2 I cc dove K: è il coefficiente ricavabile dal seguente grafico in funzione del rapporto fra R/X o X/R. cc Valore di cresta della corrente di cortocircuito (i p ): Cortocircuito fase-fase (L-L): (U cc) Tensione di Cortocircuito e (Z cc) Impedenza dell anello di guasto Cortocircuito fase-fase (L-N): (U cc) Tensione di Cortocircuito e (Z cc) Impedenza dell anello di guasto U cc = Z CC U cc = Cortocircuito simmetrico ed equilibrato sulle tre fasi U cc = (L-L-L): (U cc) Tensione di Cortocircuito e (Z cc) Z Impedenza dell anello di guasto CC Dove: U = tensione stellata (fase-neutro), pari nelle reti italiane, a 230 V o R E e X E = resistenza e reattanza equivalente secondaria trasformatore R L e X L = resistenza e reattanza di fase delle condutture R N e X N = resistenza e reattanza di neutro delle condutture Z CC 3 Uo 2 RL ) + ( X E + = 2 ( RE + X L) = = U o U o 2 RL + RN ) + ( X E + X L + ( RE + X N ) 2 RL ) + ( X E + ( RE + X L)

21 3) Sovracorrenti Correnti di cortocircuito nei sistemi TT I sistemi TT, sono caratterizzati da potenze che oscillano in genere fra i 3-6 kw monofase fino ad arrivare ad un massimo di kw t rifase. Il fornitore dell energia provvede ad alimentare queste utenze direttamente in bassa tensione dalle proprie cabine di trasformazione MT/bt. La Norma CEI 0-21 fornisce i valori di riferimento per la corrente di cortocircuito massima. Tipo fornitura I cc (ka) Z cc (mω) Fattore di R cc X cc Potenza (mω) (mω) Monofase ,7 26,6 26,6 Trifase (guasto monofase) ,7 26,6 26,6 Trifase P c 33 kw , ,6 Trifase P c > 33 kw ,3 8,1 25,7 Nota: i valori indicati sono basati sull utilizzo di trasformatori MT/BT di potenza non superiore a 630 kva, con V cc pari al 6 %. Per trasformatori esistenti di caratteristiche diverse (V cc inferiore al 6 % e/o taglia superiore) in fase di nuova connessione il Distributore comunica la corrente di cortocircuito presunta ai fini del dimensionamento delle apparecchiature, qualora i valori al punto di connessione siano superiori ai valori convenzionali adottati dalla Norma. 21

22 3) Sovracorrenti Effetti del cortocircuito Effetti termici: il corto circuito è caratterizzato da elevate correnti che per ovvie ragioni debbono essere interrotte in tempi abbastanza rapidi, tramite fusibili o interruttori automatici. L effetto termico del corto circuito è caratterizzato da un energia pari a: I 2 t dove I è la corrente di corto circuito (in valore efficace) e t il tempo in cui essa perdura; esso può essere causa di: innesco di incendi o esplosioni; ustioni e danneggiamento agli occhi delle persone; danneggiamento di apparati elettrici; danneggiamento termico delle conduttore. 22

23 3) Sovracorrenti Effetti del cortocircuito 23

24 3) Sovracorrenti Effetti del cortocircuito Forze elettrodinamiche unitarie tra due conduttori in funzione della distanza e del valore effettivo della corrente (valore di cresta) in ka. Ascisse: distanza fra i conduttori, in cm; ordinate: forza elettrodinamica, in kg/m. 24