Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi 1/76
Requisiti della protezione La persona è sufficientemente lontana dal dispersore per confondere la tensione di contatto a vuoto con la tensione totale U CO = U. Questa ipotesi è a favore della sicurezza e fornisce risultati cautelativi tutte le volte che una persona si trova in un punto del terreno a potenziale diverso da zero. 2/76
L impedenza del conduttore di fase è dell ordine di qualche decimo di ohm; essa è pertanto trascurabile rispetto alle altre resistenze del circuito di guasto. Lo stesso dicasi per l impedenza interna del trasformatore (o del generatore). 3/76
Applicando il teorema di hévenin tra i punti M e, si ottiene. E eq U R + R = 0 N R R eq = R R + R N R N La resistenza R eq carico R C + R C. è trascurabile rispetto alla resistenza di 4/76
R eq è costituita del parallelo di resistenze dell ordine dell ohm o della decina di ohm. R R N Req = R + R N La resistenza R C + R C è costituita da resistenze dell ordine del migliaio di ohm. 5/76
R eq = R R + R N R N 0 L approssimazione è in ogni caso a favore della sicurezza. La corrente che interessa il corpo umano è inferiore a quella calcolata. 6/76
Il circuito di guasto, nei confronti della persona, rappresentata dalle resistenze R C + R C, può essere ricondotto a un generatore ideale di tensione: il contatto della persona non modifica in modo apprezzabile la tensione preesistente: U 0 R R + R imposta dal partitore costituito da R ed R N. N 7/76
8/76 Per contenere la tensione sulla massa entro il limite di sicurezza U L dovrebbe essere verificata la condizione: L N U R R R U + 0 ( ) N L R R U R U + 0 N L L R U U U R 0
R U 0 U L U L R N La resistenza di terra del neutro R N è spesso inferiore a 1 W; in un sistema trifase 380/220 e per U L = 50 V, la resistenza di terra delle masse dovrebbe essere pertanto: R 50 L R N = 0, 29 U U 220 50 0 U L Ω 9/76
In un sistema non è né pratico né conveniente contenere la tensione sulle masse a valori inferiori al limite U L, perché: occorrerebbero resistenze di terra troppo basse, dell ordine del decimo di ohm, non facilmente ottenibili negli impianti in bassa tensione; la sicurezza dipenderebbe dalle variazioni della resistenza di terra del neutro, mentre nei sistemi si mira a dissociare la sicurezza dell utente dalle caratteristiche e dalle vicissitudini della rete di distribuzione pubblica in bassa tensione. 10/76
Non potendo limitare il valore della tensione sulle masse, per conseguire la sicurezza, si deve: ridurre il tempo per cui tale tensione permane. Occorre aprire il circuito in un tempo tanto più breve quanto maggiore è la tensione sulle masse, in modo da renderla: sopportabile per il corpo umano. A favore della sicurezza si può confondere la tensione di contatto a vuoto con la tensione totale, e riferirsi a quest ultima nell applicare la curva di sicurezza. 11/76
In questo modo si protegge anche la persona in contatto simultaneo con la massa e con un punto all infinito, a potenziale zero. R C 0 la più pericolosa in cui una persona possa trovarsi. I dispositivi di protezione (fusibili, interruttori automatici o differenziali) aprono automaticamente il circuito al manifestarsi di una corrente di guasto I g, secondo una caratteristica corrente - tempo. La corrente I g può assumere un valore qualsiasi, dipendente dalle resistenze R N, R e dalla resistenza R g di guasto. 12/76
Si consegue la sicurezza contro i contatti indiretti se, per qualsiasi valore di I g, è soddisfatta la condizione: ti t s 13/76
Un guasto franco a terra (R g = 0) corrisponde alla massima tensione sulla massa: U = R I g La resistenza di guasto potrebbe limitare la corrente I g e ritardare l intervento dei dispositivi di protezione, senza che la tensione sulla massa rientri nei limiti di sicurezza. Ne risulta che il guasto non franco potrebbe, al limite, risultare più pericoloso di quello franco. 14/76
Occorre pertanto fare in modo che, per ogni possibile valore I g, il tempo t i impiegato dai dispositivi di protezione per aprire il circuito, sia inferiore al tempo t s corrispondente sulla curva di sicurezza alla tensione: U = R I g Conclusioni: in un sistema il valore della resistenza di terra R non è di per sé indicativo delle condizioni di sicurezza; esso deve essere tale, in relazione alla caratteristica d intervento del dispositivo di protezione, che la tensione totale sia eliminata in tempi inferiori a quelli previsti dalla curva di sicurezza. 15/76
Protezione mediante dispositivi a massima corrente Caratteristica del fusibile caratteristica a tempo inverso 16/76
Caratteristica di un interruttore automatico Fino a correnti pari a circa 8 volte la I N la caratteristica è a tempo inverso (sganciatore termico) Per correnti superiori l intervento è istantaneo (sganciatore magnetico) 17/76
Coordinamento tra resistenza di terra e dispositivi di protezione Si consideri il punto della curva di sicurezza U L, 5s: 18/76
La resistenza dell impianto di terra R e la corrente I 5s corrispondente ad un tempo di intervento del dispositivo di protezione di 5 secondi, devono soddisfare la condizione: R I 5 s U L da cui: R U I L 5 s Per correnti superiori a I 5s le caratteristiche dei dispositivi a massima corrente soddisfano in genere la curva di sicurezza. 19/76
Conclusioni: Per correnti di guasto inferiori a I 5s, il dispositivo di protezione impiega tempi lunghi ad aprire il circuito o potrebbe anche non intervenire, ma se è soddisfatta la condizione R la tensione assunta dalle masse è inferiore ad U L. U I L 5 s Per correnti di guasto superiori a I 5s le tensioni sulle masse superano U L, ma il dispositivo apre il circuito in tempi che si ritiene soddisfino la curva di sicurezza. (CEI 64-8) 20/76
Stesso impianto di terra, di resistenza R, comune a numerose masse protette con più dispositivi di protezione, in serie e in parallelo: 21/76
Se una massa è protetta da più dispositivi in serie, è ovvio che per la protezione contro i contatti indiretti può essere considerato il dispositivo che presenta la minor corrente di intervento entro 5 secondi: 22/76
A causa di un guasto d isolamento una massa disperde la corrente I g, allora tutte le masse connesse allo stesso impianto di terra assumono la stessa tensione R I g (la resistenza del conduttore di protezione è trascurabile): Per fronteggiare il caso peggiore occorre soddisfare la condizione: R U I L 5 s dove I 5s è la corrente più elevata che determina l intervento entro 5s dei dispositivi posti a protezione delle singole derivazioni. 23/76
Conclusioni: In un impianto, comunque complesso, la corrente I 5s da considerare per il coordinamento con la resistenza di terra R è: la minor corrente d intervento entro 5s di dispositivi in serie, la maggior corrente d intervento entro 5s di dispositivi in parallelo. 24/76
Limiti della protezione Soddisfare la condizione: R U I L 5 s non è affatto facile, in quanto la corrente I 5s corrisponde a diversi multipli della corrente nominale, sia per i fusibili sia per gli interruttori automatici. Si richiede, pertanto, una resistenza di terra molto bassa, in genere inferiore all ohm. 25/76
Dover realizzare impianti di terra con resistenze pressoché nulle deriva appunto dalla necessità di tramutare il guasto a terra in un cortocircuito e determinare così l intervento della protezione a massima corrente. Il valore di corrente che determina l intervento di un dispositivo di protezione a massima corrente entro 5s è funzione della sua corrente nominale. Per elevate correnti nominali occorrono correnti di guasto anche di alcune centinaia di ampere per provocare l intervento. Naturalmente, più alto è il valore della corrente d intervento entro 5s, più bassa deve essere la resistenza dell impianto di terra. U L R I 5 s 26/76
Il rischio relativo al contatto indiretto, nell analisi di due motori di potenza rispettivamente uguale ad 1 kw e 10 kw. Ma ricordando che: P = 3 V I cos ϕ il valore della corrente nominale aumenta con l aumentare della potenza e, quindi, è necessario garantire per il motore di potenza decupla una resistenza di terra più piccola di circa 10 volte! 27/76
La larga diffusione dei dispositiva a massima corrente ha suggerito di affidare agli stessi la protezione delle apparecchiature, dei cavi e delle persone. Per la protezione delle persone contro i rischi derivanti da contatti indiretti si dispone ora di un dispositivo ad hoc: dispositivo differenziale 28/76
L interruttore differenziale Con il termine corrente differenziale I D si definisce: la somma vettoriale delle correnti che fluiscono attraverso i conduttori attivi del circuito, compreso il conduttore di neutro. 1 2 3 n I 29/76
In condizioni normali la corrente differenziale è uguale a zero; solo se nel circuito si manifesta un guasto verso terra essa differisce da zero. I g I = I 1 + I 2 I g = = I = I 1 I 2 Esempio di guasto a terra in un apparecchio monofase. 30/76
L interruttore differenziale è un dispositivo destinato ad aprire automaticamente il circuito quando la corrente differenziale supera un valore prestabilito. Questa valore prestabilito di corrente viene chiamato: corrente differenziale nominale d intervento I D N. In un sistema trifase senza conduttore di neutro, in assenza di guasto, la somma delle tre correnti è sempre uguale a zero, anche se i carichi sono squilibrati. In un sistema trifase con conduttore di neutro, in assenza di guasto, la somma delle quattro correnti è sempre uguale a zero, anche se i carichi sono squilibrati. 31/76
Schema costruttivo di funzionamento: Quando la corrente differenziale nominale d intervento I D N > 0,03 A il differenziale è detto: a bassa sensibilità 32/76
Valori massimi dei tempi di intervento di interruttori differenziali a bassa sensibilità: Gli interruttori differenziali con I D N 0,03 A, comunemente denominati ad alta sensibilità, i tempi di interevento sono inferiori. 33/76
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Esempio di: Sistema trifase senza neutro. La somma vettoriale delle tre correnti, in assenza di guasto a terra, è sempre uguale a zero. 35/76
Esempio di: Sistema trifase con neutro. La somma vettoriale delle quattro correnti, in assenza di guasto a terra, è sempre uguale a zero. 36/76
Protezione razionale ed efficace mediante interruttori differenziali Un interruttore differenziale è specificato dalla e dalla corrente nominale I N corrente differenziale nominale d intervento I D N. A quest ultima ci si deve riferire per il: dimensionamento dell impianto di terra. 37/76
In analogia con quanto detto per le protezioni di massima corrente, deve essere soddisfatta la condizione: R U I L N uso domestico e similari posto U L = 50 V 38/76
La differenza esistente tra le due relazioni: R U I L 5 s R U I L N consiste nel fatto che: mentre le correnti I 5s dipendono dalla corrente nominale I N del dispositivo di protezione e sono dell ordine delle centinaia di ampere, la corrente I è indipendente dalla corrente nominale I D N N dell interruttore differenziale e varia da frazioni di ampere a qualche ampere (occasionalmente raggiunge la decina di ampere). 39/76
Con l interruttore differenziale si riesce facilmente ad ottenere il coordinamento tra impianto di terra (facilmente realizzabile) e protezione. Nel coordinamento tra protezioni e resistenza di terra è molto più razionale e conveniente adeguare le protezioni all impianto di terra che non il viceversa. 40/76
La caratteristica di intervento dell interruttore differenziale è stata stabilita, in sede normativa, con l obiettivo di soddisfare la curva di sicurezza. Infatti è facile verificare che: U = R I Dalla curva di intervento si possono dedurre i valori di tensione U ed i relativi tempi per i quali queste possono permanere. 41/76
L interruttore differenziale, associato all impianto di terra di resistenza R U permette di soddisfare completamente la curva di sicurezza; le tensioni totali I L N U = R I permangono infatti per tempi inferiori a quelli previsti dalla curva di sicurezza. 42/76
Impianto di terra comune a più derivazioni: alcune protette solo con dispositivi a massima corrente, altre con dispositivi differenziali 43/76
È facile verificare che: per conseguire la sicurezza sulla derivazione B è sufficiente una resistenza di terra R non superiore a 100 W (U = 50 V). per conseguire la sicurezza sulla derivazione A, supponendo I 5s = 5 I N, dovrebbe essere R 0,5 W. 44/76
Conclusioni: È opportuno che tutte le derivazioni, che fanno capo allo stesso impianto di terra, siano protette con interruttori differenziali. 45/76
Correnti di dispersione La corrente di guasto è la corrente che si stabilisce verso terra a seguito di un guasto all isolamento. La corrente di dispersione si intende, invece, la corrente che fluisce verso terra da un circuito elettricamente sano. 46/76
Se più derivazioni sono protette con interruttore differenziale, l impianto di terra comune può essere dimensionato in base al più elevato tra i valori delle correnti differenziali nominali d intervento dei dispositivi posti a protezione delle singole derivazioni (CEI 64-8). R U I L N 47/76
Correnti di dispersione nelle singole derivazioni, inferiori alla soglia di intervento dei relativi interruttori differenziali, potrebbero, sommandosi, dare origine ad una corrente verso terra maggiore di quella suindicata. R I = U > U L con I > I N MAX R I U L N MAX 48/76
La probabilità che questo avvenga è stata ritenuta trascurabile in sede normativa e quindi si può non tenerne conto. Se tuttavia l impianto di terra è comune a numerosi impianti utilizzatori soggetti a frequenti e probabili correnti di dispersione, sarebbe opportuno dimensionare l impianto di terra in base alla massima corrente di dispersione che può permanere verso terra. 49/76
Le correnti di dispersione sono, con buona approssimazione, ugualmente sfasate rispetto al sistema simmetrico delle tensioni. È allora immediato ricavare la corrente risultante I D dimensionamento dell impianto di terra. per il R I U L 50/76
Poiché, però, la risultante di una terna di vettori sfasati di 120 non supera il maggiore tra essi, a favore della sicurezza si può considerare la massima corrente di dispersione su di una fase e nulle le correnti sulle altre due fasi. Si può così dimensionare l impianto di terra in base alla più elevata tra le somme delle correnti differenziali nominali di intervento degli interruttori installati su ciascuna fase (cioè su ciascuna derivazione). 51/76
U L R con I = 1,9 A I 52/76
Scelta dell interruttore differenziale: selettività Si definisce corrente differenziale nominale di non intervento il massimo valore di corrente differenziale per il quale certamente l interruttore non interviene. ale corrente è uguale a: I N 2 Nell intervallo I N I 2 l interruttore non ha comportamento definito: intervenire come può non intervenie. N può 53/76
La scelta della corrente differenziale nominale di intervento è condizionata, oltre che dalla relazione: R U I L N I N U R L anche dall insieme delle correnti di dispersione dell impianto utilizzatore; infatti la somma vettoriale delle correnti di dispersione sulle singole fasi non deve superare: I N 2 54/76
Le correnti disperse possono essere eccessive quando: a) lo stato di conservazione generale dell impianto è precario, o singole macchine presentano isolamento verso terra insufficiente; b) la natura degli apparecchi utilizzatori è tale per cui le correnti di dispersione eccedono i valori usuali; c) l impianto elettrico è molto vasto, con un gran numero di apparecchi utilizzatori. 55/76
Rimedi: a) revisione dell impianto per ridurre i consumi e ristabilire un corretto isolamento verso terra; b) alimentazione attraverso trasformatori (si pensi agli apparecchi elettronici dotati di filtri di ingresso che possono dar luogo ad elevate correnti di dispersione); c) singole protezioni su ciascuna derivazione, cosa che garantisce anche una selettività orizzontale. 56/76
Esempio di miglioramento della selettività orizzontale: 57/76
Non si è però protetti da un guasto a terra che avvenga in un punto qualsiasi compreso tra l interruttore generale e gli interruttori differenziali. È necessario evitare la presenza di masse a monte degli interruttori differenziali. Oppure proteggere la parte di circuito compresa tra l interruttore generale e gli interruttori differenziali con isolamento doppio o rinforzato. 58/76
Quando l interruttore generale è anch esso differenziale, nascono problemi di selettività verticale. Se la corrente differenziale nominale d intervento dell interruttore generale è maggiore del doppio della più elevata corrente differenziale nominale d intervento degli interruttori a valle, si ottiene una parziale selettività, per correnti di guasto più elevate delle soglie di intervento degli interruttori divisionali e inferiori alla soglia di non intervento dell interruttore generale 59/76
Rappresentazione dei campi di selettività e di mancanza della stessa: 60/76
Si definisce tempo limite di non risposta il tempo massimo durante il quale si può applicare una corrente maggiore di I D N senza provocare il funzionamento dell interruttore. Perché due interruttori siano tra loro selettivi, il tempo di intervento dell interruttore a valle deve essere inferiore al tempo limite di non risposta dell interruttore a monte, per qualsiasi valore di corrente, in modo che l interruttore a valle abbia concluso la manovra di apertura prima che inizi il funzionamento dell interruttore a monte. Inoltre la corrente differenziale nominale d intervento dell interruttore a monte deve essere superiore al doppio della corrente differenziale nominale di intervento dell interruttore a valle. 61/76
Condizioni di selettività: 62/76
Una ulteriore metodologia utilizzata per garantire il coordinamento è esplicitata dal seguente esempio: I tre dispositivi in serie sono interconnessi tramite relè. Quando un relè dà l ordine di apertura all interruttore associato, contemporaneamente invia un segnale che blocca i relè a monte per il tempo di ritardo prescelto. Così le protezioni sono ritardate solo nei confronti di guasti a valle del successivo dispositivo differenziale, mentre non lo sono per guasti a terra tra i due dispositivi. 63/76
Messa a terra del conduttore di neutro a valle dell interruttore differenziale (problemi di applicazione dell interruttore differenziale) 64/76
Il caso prospettato non sembra pericoloso, per quanto riguarda i contatti indiretti, poiché la tensione verso terra dipende ovviamente da I D e non da I 1. È bene pertanto curare l isolamento del conduttore di neutro a valle della protezione differenziale e non metterlo a terra confondendolo ad esempio con il conduttore di protezione. Lo scambio tra i due è abbastanza comune, poiché entrambi sono a potenziale zero in condizioni ordinarie. 65/76
Dispositivi toroidali (problemi di applicazione dell interruttore differenziale) Nel caso di grosse utenze il rilevatore differenziale non è conglobato nell apparecchio di interuzione, ma è separato ed applicato direttamente sul cavo dell installatore (dispositivi toroidali). 66/76
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Equipotenzialità nei sistemi (Finalità) Il termine equipotenziale è sinonimo di sicuro. Se tutte le parti conduttrici simultaneamente accessibili, compreso il terreno, fossero allo stesso potenziale non vi sarebbe alcun pericolo per le persone. Si tende a questa situazione ideale collegando all impianto di terra non solo le masse ma anche le masse estranee. 68/76
Il conduttore PA prende il nome di conduttore equipotenziale. 69/76
Poiché si è ammesso a favore della sicurezza che la tensione di contatto a vuoto fosse uguale alla tensione totale. Inoltre tramite la condizione: si è imposto che la tensione totale assunta da un massa durante un guasto a terra fosse eliminata in un tempo inferiore a quello previsto dalla curva di sicurezza. R U I L N In conclusione la persone è protetta nelle condizioni più sfavorevoli compresa quella di contatto tra massa M e massa estranea A 1 anche in assenza del collegamento equipotenziale. 70/76
Nei sistemi, quindi, l equipotenzialità non è proprio indispensabile per la sicurezza. È comunque buona regola collegare anche nei sistemi tutte le masse estranee all impianto di terra: tubazioni dell acqua, del gas e del riscaldamento, binari, strutture in ferro delle fondazioni in cemento armato, serbatoi interrati, camicie metalliche dei pozzi. 71/76
Si ottengono così i seguenti vantaggi: 1. diminuisce la resistenza di terra del complesso (R //R A ), perché la massa estranea funge da dispersore, e quindi si riduce la tensione totale U ; 2. si attenuano le tensioni di contatto: tra massa e terreno come conseguenza del punto 1, tra massa e massa estranea perché equipotenziali; 3. si riduce il rischio per le persone qualora non fosse, L occasionalmente, soddisfatta la condizione: R. U I N Per questi motivi la norma CEI 64-8 impone il collegamento equipotenziale anche nei sistemi : intesa come misura complementare e di riserva alle altre misure di protezione 72/76
Equipotenzialità nei sistemi (Ubicazioni) Nei sistemi la caduta di tensione sui conduttori di protezione è trascurabile rispetto alla tensione totale di terra: durante un guasto d isolamento tutte le masse sono in pratica allo stesso potenziale. Per portare tutte le masse e l intera tubazione idrica allo stesso potenziale è sufficiente effettuare il collegamento PA, all ingresso della tubazione nell edificio: esso prende il nome di collegamento equipotenziale principale. 73/76
L equipotenzialità sussiste anche in presenza di resistenze localizzate fra tratti diversi della tubazione: La resistenza R L non è interessata dalla corrente di guasto ed è dunque irrilevante per la sicurezza. Anche se la tubazione fosse di fatto, o con apposito collegamento, connessa localmente a una massa, la resistenza R L non nuocerebbe alla sicurezza, perché cortocircuitata dal conduttore di protezione. 74/76
È quindi sufficiente effettuare il collegamento equipotenziale principale in prossimità della parte disperdente, detta radice, della massa estranea, trascurando la successiva parte flottante, cioè in non buon collegamento con il terreno. Se le parti disperdenti della massa estranea, cioè le radici, sono più d una, il collegamento equipotenziale va ripetuto in corrispondenza di ciascuna di esse. 75/76
Per evitare che il potenziale in B assuma un potenziale diverso da M a causa della caduta di tensione sulla resistenza R L, è necessario ripetere il collegamento equipotenziale tra M e B. Oppure cortocircuitare la resistenza R L. 76/76