CORSO BASE IMPIANTI ELETTRICI

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1 CORSO BASE IMPIANTI ELETTRICI MODULO 5 SCARICHE ATMOSFERICHE Vesione 3.0 /

2 In questa sede non viene discussa la complessa progettazione degli impianti parafulmine (LPS), vengono solo date delle nozioni relative all impianto. Ove una struttura non sia autoprotetta, ossia si trovi nelle vicinanze di un qualcosa di più alto che la protegga (case, line elettriche, montagne, etc.), necessita di un impianto di protezione dalle scariche atmosferiche. L impianto, di complessa progettazione, viene realizzato con gabbia di Faraday, con asta, o sistemi misti. In caso di fulminazione l impianto si occuperà di drenare la corrente di fulmine nel terreno con i minori danni possibile (abbattimento del rischio di perdite economiche ed umane, dovute in genere a incendi, folgorazioni e sovratensioni). Nel progetto dell LPS è definito anche come deve essere realizzato l impianto di messa a terra, che normalmente è composto da numerosi picchetti (almeno quante sono le calate) e da una corda di rame nudo che li interconnette (funge anche essa da dispersore). Ovviamente, non possono esistere pozzetti di terra non interconnessi all interno di una struttura alimentata. Nel progetto vengono indicate tutte le interconnessioni tra le parti di impianto e metalliche in genere e le discese dell impianto di terra dell LPS. Tutte queste prescrizioni devono essere scrupolosamente rispettate. In Figura seguente è riportato un esempio da cui si evince come la protezione a gabbia di Faraday viene interconnessa all impianto di terra e, tramite il nodo principale di terra, a tutte le parti di impianto. 2

3 Edificio dotato di parafulmine A questo punto è fondamentale dare la definizione di massa estranea: Parte conduttrice non facente parte dell impianto elettrico, suscettibile di introdurre il potenziale di terra, in pratica la massa estranea non può introdurre altri potenziali. Per portare un esempio, una massa metallica potrebbe essere considerata il cancello di una recinzione realizzato interamente in ferro. Nel caso di edificio senza parafulmine (struttura autoprotetta) non tutte le masse metalliche vanno collegate a terra; ad esempio non vanno collegate all impianto di terra le masse estranee. Se una massa non interessata ne da un LPS ne da un impianto elettrico viene collegata al conduttore di terra non si fa altro che aumentare il pericolo ad essa associato. Di conseguenza è errato collegare con ponticelli (come spesso si vede) tutte le parti metalliche di un edificio a terra; questo deve essere fatto solamente se le parti metalliche sono interessate dall impianto elettrico (non sono masse estranee) e se si è in presenza di LPS seguendo scrupolosamente le indicazioni di progetto. Ad esempio, motorizzando il cancello in ferro di cui sopra, questo diviene parte a contatto con l impianto elettrico e necessita, quindi, dei ponticelli di collegamento alla terra. 3

4 In ogni caso, anche in assenza di parafulmine, tutte le masse metalliche che entrano nella struttura (possono portare sovratensioni o correnti di fulmine dall esterno) vanno comunque collegate a massa. Edificio senza parafulmine Normalmente, ed è il caso della figura, vengono collegate a terra (al loro ingresso nella struttura) le linee elettriche, le linee telefoniche, le tubazioni dell acqua e del gas, etc.. ugli impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione. Protezione da sovratensioni Il maggiore uso negli ambienti industriali e civili degli apparati elettronici, come computers, logiche programmabili (PLC), inverters, convertitori, trasduttori, ecc., obbliga ad assumere cure maggiori per tutto quanto può incidere negativamente sul loro corretto funzionamento. E' ben nota la sensibilità degli apparati elettronici ai picchi di sovratensione che, prodotti da manovre sugli impianti (ad esempio manovre effettuate dai tecnici dell ente distributore) oppure da campi magnetici generati dai fulmini, entrano all'interno della rete elettrica di stabilimento tramite i cavi elettrici; ciò può 4

5 comportare guasti o arresti indesiderati, che possono incidere anche pesantemente sulla produzione. Limitare i picchi di sovratensione equivale ad elevare il grado di qualità della tensione di alimentazione degli apparati elettrici ed elettronici di stabilimento. La necessità o meno di installare misure di protezione da scariche atmosferiche va rilevata seguendo le norme CEI relative alle sovratensioni per fulminazione diretta ed indiretta; queste norme sono relative alla sicurezza degli ambienti e di chi vi si trova all interno. Le sovratensioni possono essere abbattute grazie all installazione di scaricatori di sovratensione, questi esistono tanto per la bassa tensione quanto per la media (normalmente la protezione in MT si effettua negli ambienti industriali all arrivo in cabina). Gli scaricatori di sovratensione sono dei dispositivi atti a deviare a terra i picchi di energia che si propagano nei cavi delle linee elettriche sotto forma di "onde di sovratensione". Le onde di sovratensione si spostano nelle reti elettriche a velocità estremamente elevata (prossima della velocità della luce) e possono trasportare energie anche rilevanti. Le onde di sovratensione provocano un invecchiamento precoce degli isolamenti; queste vanno alla ricerca di un punto debole dell'isolamento che permetta loro di scaricare verso terra l'energia che trasportano. Se non è stato installato un dispositivo adatto allo scopo, lo scaricatore di sovratensione appunto, possono verificarsi due effetti a seconda dell energia: scarica di elevata energia che causa corto circuito, apertura delle protezioni, disservizio, con possibile rischio di incendio, danni alle persone ed alle cose; scarica di bassa energia che comporta deterioramento degli isolanti e degli apparecchi, scatti intempestivi delle protezioni e rottura e/o malfunzionamento di sensibili e delicate apparecchiature elettroniche. 5

6 Il compito dello scaricatore di sovratensione, collegato a terra, è quindi quello di: bloccare il passaggio di una significativa corrente di fuga tra fase e terra alla tensione nominale; intercettare e lasciare passare, cioè scaricare a terra, l'onda di sovracorrente abbinata all'onda di sovratensione; richiudere immediatamente il circuito evitando il disservizio; essere in grado di ripetere varie volte dette operazioni. La tecnologia costruttiva relativa agli scaricatori di sovratensione si è con gli anni evoluta, passando dagli scaricatori in aria libera ("spinterometri"), a scaricatori con vari tipi di dielettrico (ad esempio a carburi di silicio "SIC"). In alcuni casi si utilizza anche il funzionamento in serie di spinterometri e di scaricatori a semiconduttore. L'ultima innovativa tecnologia costruttiva degli scaricatori di sovratensione si basa su dispositivi con dielettrico senza aria, cioè senza "gap". In termini tecnici vengono chiamati "varistori ad ossidi di metallo", in inglese "MOV" (metal oxide varistors); il metallo è sostanzialmente lo zinco. In pratica, il MOV è una resistenza collegata tra fase e terra che si avvale di una caratteristica assai particolare: a tensione nominale blocca quasi totalmente la corrente di fuga (passa solo qualche ma) ma, alla presenza dell'onda di sovratensione, apre totalmente il circuito permettendo all'onda di sovracorrente di fluire a terra. Esistono due collegamenti possibili per l installazione degli SPD, in serie (Fig.5.19) ed parallelo (Fig.5.20). Fig.5.19 Installazione di SPD in serie 6

7 Fig.5.20 Installazione di SPD in parallelo Nelle seguenti figure sono riportati gli schemi di installazione per i comuni sistemi di distribuzione elettrica di bassa tensione. Fig.5.21 Installazione di SPD nel sistema TT Fig.5.22 Installazione di SPD nel sistema TN-S 7

8 Fig.5.23 Installazione di SPD nel sistema TN-C Fig.5.24 Installazione di SPD nel sistema IT In fase di installazione sono da evitare i seguenti errori: posa dei conduttori più vicini tra loro possibile senza creare spire; posa del conduttore PE insieme ai conduttori protetti, causa accoppiamento induttivo; posa dei conduttori avvolti, ammatassati, facendo il percorso più lungo e contorto, insomma creando delle spire che generino accoppiamento magnetico. 8

9 Si definisce livello di protezione (Up) il valore di tensione che caratterizza il comportamento dell SPD nel limitare la tensione tra i suoi terminali e che è scelto da una serie di valori preferenziali. I diversi livelli di protezione più appropriati per attuare la protezione dell impianto sono distinti nella Tab.5.9 in funzione delle classi di prova. Le classi di prova sono distinte come segue (sempre in Tab.5.9): SPD di Classe di Prova I: SPD provato con la corrente impulsiva I imp. SPD di Classe di Prova II: SPD provato con la corrente nominale di scarica In e con la massima corrente di scarica I max. SPD di Classe di Prova III: forma d onda 1.2/50 µs e corrente di corto circuito di forma 8/20 µs. Come parametro di scelta si utilizza la tensione a vuoto Uoc (kv) di tale generatore. Inoltre, per la scelta del dispositivo sono necessarie le seguenti definizioni: Tensione nominale (U n ): Valore della tensione del sistema di distribuzione misurato tra fase e terra (PE). La tensione nominale tra la fase ed il neutro è chiamata Uo. Tensione massima continuativa (Uc): Massimo valore della tensione efficace o continua che può essere applicata permanentemente all SPD. Questa è superiore alla tensione nominale dell SPD. Tensione residua (U res ): Valore di picco della tensione che appare tra i terminali di un SPD a seguito del passaggio della corrente di scarica. Tensione di tenuta (U tenuta ): Valore di picco della tensione ad impulso (1.2/50) che l apparecchiatura è in grado di sopportare senza subire danni. Sovratensione temporanea (TOV): Sovratensione oscillatoria smorzata (o debolmente smorzata) alla frequenza di rete in una determinata posizione e di relativamente lunga durata. 9

10 Corrente ad impulso (l imp ): Valore di picco della corrente che circola nell SPD e che ha una forma d onda 10/350 µs. Questa è usata per classificare l SPD nella Classe di Prova I. Corrente continuativa (Ic): Corrente che circola in ogni modo di protezione (o polo) dell SPD alimentato alla tensione massima continuativa, Uc, per ogni modo. Corrente massima di scarica per la Classe di Prova II (Imax): Valore di picco della massima corrente che può circolare nell SPD senza danneggiarlo e che ha una forma d onda 8/20 µs. Corrente nominale di scarica (In): Valore di picco della corrente che circola nell SPD e che ha una forma d onda 8/20 µs. Questa è usata per classificare l SPD nella Classe di Prova II. Corrente presunta di scarica (Ipres): Valore di picco della corrente che circola nell SPD di Classe di Prova III quando è sottoposto alla tensione a vuoto Uoc del generatore combinato. Corrente susseguente (Is): Corrente a frequenza industriale fornita dall impianto elettrico utilizzatore di bassa tensione che circola nell SPD dopo il passaggio della corrente di scarica. La corrente susseguente è significativamente diversa dalla corrente continuativa. Distanza di protezione (d): Distanza massima tra l SPD e l apparecchiatura da proteggere. 10

11 Tab.5.9 Classi di prova Per quanto riguarda la protezione automatica contro i contatti diretti ed indiretti degli impianti protetti da SPD è necessario fare, almeno, una considerazione sull interruttore differenziale. In caso di corrente drenata verso terra sotto sovratensione il differenziale interverrebbe aprendo il circuito con il disservizio massimo; di conseguenza va installato a valle dell SPD; contemporaneamente è necessario tenere conto che la linea e gli scaricatori vanno comunque protetti, ciò può essere realizzato con a monte una protezione magnetotermica o a fusibili. Il tutto è chiarito in Fig Fig.5.25 Collegamento del differenziale con presenza di SPD 11

12 Se si necessita di un approfondimento in merito, il discorso sulla scelta e sul coordinamento degli SPD è approfondito nella norma CEI 81-8, Guida di applicazione all utilizzo di limitatori di sovratensione sugli impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione. 12

13 Attuale panorama normativo A seguito della variante V1 della CEI si sono charite molte incertezze che la parte introduttiva, in particolar modo, lasciava all interpretazione. La variante CEI V1 (fascicolo 9491) pubblicata in settembre (2008), modifica la Premessa Nazionale ed alcuni articoli delle prime tre parti. Le novità sostanziali possono essere schematizzate come segue: 1) La novità fondamentale è che la nuova premessa nazionale recita La valutazione del rischio deve essere eseguita per tutte le strutture in conformità alla Norma CEI EN e devono essere individuate le misure di protezione necessarie a ridurre il rischio a valori non superiori a quello ritenuto tollerabile dalla Norma stessa. 2) Altra novità è aggiunta dalla seguente nota all Art. 6.2: La valutazione della convenienza economica delle misure di protezione, anche se facoltativa, è tuttavia consigliata in quanto consente la scelta del sistema di protezione contro i fulmini, più adatto e conveniente alle esigenze del committente. Essa potrebbe pertanto essere omessa in presenza di espressa rinuncia da parte del committente. 3) All art. 5.5 della norma CEI 81-10/2 è stata aggiunta la seguente nota: Quando il danno alla stuttura si può estendere anche alle strutture circostanti o all ambiente (ad es. a causa di emissioni pericolose chimiche o radiattive) dovrebbero essere adottate comunque misure di protezione con LPL 1 qualunque sia il risultato dell analisi del rischio. 13

14 Obblighi derivanti dalla nuova variante v1 e dal d.lgs 81/08 Come specificato al punto precedente, tra le più importanti novità contenute nella Variante, da segnalare il principio che la valutazione del rischio deve essere eseguita per tutte le strutture in conformità alla Norma CEI EN e devono essere individuate le misure di protezione necessarie a ridurre il rischio a valori non superiori a quello ritenuto tollerabile dalla Norma stessa. Questo significa che tutte le strutture, anche quelle aventi una precedente valutazione del rischio dalle scariche atmosferiche eseguita secondo la CEI 81-1, devono essere sottoposte ad una nuova valutazione del rischio in conformità alla Norma CEI EN , ovvero alla CEI Il nuovo fascicolo contiene una rilevante nota sulla progettazione a regola d arte degli edifici ai fini della protezione contro le sovratensioni, indica come riferimento fondamentale sia la Norma CEI 64-8 sia la serie di Norme CEI Va ricordato, inoltre, che valutare il rischio di fulminazione costituisce un obbligo giuridico in capo al responsabile della struttura, secondo il DLgs 81/08 Testo unico sulla sicurezza nei luoghi di lavoro (art. 84: Il datore di lavoro provvede affinché gli edifici, gli impianti, le strutture, le attrezzature, siano protetti dagli effetti dei fulmini con sistemi di protezione realizzati secondo le norme di buona tecnica). Si deduce facilmente che, nei luoghi di lavoro, il datore di lavoro ha l obbligo di valutare o rivalutare il rischio dalle scariche atmosferiche in conformità alla Norma CEI EN (CEI 81-10). Per edifici civili non vi è obbligo specifico, tuttavia c è sempre l obbligo giuridico di agire con perizia, prudenza e diligenza, altrimenti si configura la colpa a seguito di danno a cose o persone, il che significa che il dirigente d una struttura, ad esempio un Amministratore di condominio, pur non avendo 14

15 obbligo della valutazione (se il Condominio non ha dipendenti e quindi non è luogo di lavoro), ha un obbligo giuridico generico di agire con diligenza. Altro obbligo del progettista è quello di richiedere i valori in base ai quali redigere la valutazione economica oppure farsi firmare l espressa rinuncia ad eseguirla. La valutazione delle perdite economiche consente di confrontare il costo delle misure di protezione e quello delle perdite materiali per stimare un eventuale premio assicurativo. La valutazione del rischio ai sensi del Testo unico sulla sicurezza D.lgs 81/08 deve essere tesa a valutare anche la possibilità che il danno alle cose possa estendersi anche all ambiente circostante per valutare l obbligo di applicazione di un LPL di classe 1 introdotto all art. 5.5 della nuova variante. Se ne deduce la necessità, già in parte evidente, di tenere in considerazione, al momento della redazione del DVR (documento di valutazione del rischio) anche la valutazione dalle scariche atmosferiche. L art.28 ( oggetto della valutazione dei rischi ) del D.lgs 81/08 recita inoltre Il documento di cui l articolo 17, comma 1, lettera a), redatto a conclusione della valutazione, deve avere data certa e contenere: a) una relazione sulla valutazione di tutti i rischi per la sicurezza e la salute durante l attività lavorativa, nella quale siano specificati i criteri adottati per la valutazione stessa [ ] Obblighi della protezione Da quanto esposto precedentemente si evince che la valutazione del rischio da scariche atmosferiche dovrebbe essere oggetto di uno specifico incarico da parte del responsabile dell intera struttura e dovrebbe essere eseguito da un esperto della protezione contro i fulmini. Questi accerta i valori richiesti dalla norma: i. Rischio R 1 : perdita di vite umane ii. Rischio R 2 : perdita di servizio pubblico (energia, acqua, gas,telefonia, ecc ) 15

16 iii. iv. Rischio R 3 : perdita di patrimonio culturale insostituibile Rischio R 4 : perdita economica Se le sovratensioni possono provocare perdita di vite umane (rischio R 1 ), perdita di servizio pubblico (rischio R 2 ) o perdita di patrimonio culturale insostituibile (rischio R 3 ), l impiantista elettrico ha l obbligo giuridico di ridurre tale rischio ad un livello accettabile per la norma: il Committente NON ha la facoltà di rinunciare alla relativa protezione ed ogni accordo con l impiantista darebbe soltanto evidenza di un concorso di colpa. Qualora si configuri un rischio di tipo R 4 (perdita economica ),il Committente, dopo aver valutato che il sistema di protezione non è economicamente conveniente, può rinunciare alle protezioni, ma in maniera esplicita e documentata di modo che, in caso di danno, non possa esserci rivalsa nei confronti del progettista o dell installatore. SANZIONI Con l entrata in vigore, il 20 Agosto del 2009, del D.lgs 106/09 si configurano le seguenti sanzioni 16

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