Fondamenti di sicurezza elettrica

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Vito Carrescia, professore ordinario di "Sicurezza elettrica" al Politecnico di Torino.

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VITO CARRESCIA

FONDAMENTI DI SICUREZZA ELETTRICA

EDIZIONI TNE E

Copyright © TNE srl, Edizione aggiornata settembre 2008 Edizioni TNE, strada dei Ronchi 29,10133 Torino tel. 011 6611212 ca. - fax 011 6618105 r.a. www.tne.it E-mail: [email protected] Tutti i diritti di riproduzione anche parziale e con qualsiasi mezzo sono riservati a norma di legge e delle convenzioni internazionali. Stampa: AGIT srl Beinasco (1'0) - Te!. 011 349865&

Indice

5

INDICE Parte prima: Introduzione alla sicurezza

17

Capitolo 1 - Generalità 1.1 Le basi legislative della sicurezza 1.2 Gli enti normatori nazionali e internazionali 1.3 La conformità alle norme 1.3, l Conformità alle norme dei componenti elettrici 1.3.2 La direttiva comunitaria per il materiale elettrico a bassa tensione 1.3.3 Marcatura CE 1.3.4 Conformità alle norme degli impianti Alcune considerazioni sulle norme CEI 1.4 1.4.1 Norme CEI e regola d'arte 1.4.2 Norme CEI e norme di legge 1.4.3 Applicabilità delle norme CEI agli impianti preesistenti Alcuni dati statistici 1.5

21 21 23 24 24

Capitolo 2 - Princìpi generali di sicurezza 2.1 Definizioni 2.1.1 Sicurezza 2.1.2 Rischio 2.2 Sicurezza di un sistema 2.3 Affidabilità e sicurezza 2.4 Il livello di sicurezza accettabile 2.5 Criteri per l'individuazione del livello di sicurezza accettabile 2.6 Il rischio indebito 2.7 L'errore umano

43 43 43 46 46

31

32

35 37 37 38 38 39

4R 49 53 57 57

6

Fondamenti di

Parte seconda: Contatti diretti e indiretti

59

Capitolo 3 - Corrente elettrica e corpo umano 3.1 Brevi richiami di elettrofisiologia 3.1.1 Il potenziale di riposo 3.1.2 Il potenziale d'azione 3.1.3 La soglia di sensibilità 3.2 Effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano' 3.2.1 Tetanizzazione 3.2.2 Arresto della respirazione 3.2.3 Fibrillazione ventricolare 3.2.4 Ustioni 3.3 Limiti di pericolosità della corrente elettrica 3.3.1 Pericolosità della corrente in funzione del tempo 3.3.2 Correnti ad alta frequenza 3.3.3 Pericolosità delle correnti non sinusoidali 3.3A Correnti impulsive 3.4 Resistenza elettrica del corpo umano 3A.1 Le variabili 3 A.2 l valori 3.5 Pericolosità del percorso

63 63 63 65 68 68 69 71 71 76 78 78 82 84 86 88 91 97 100

Capitolo 4 - Il terreno conduttore elettrico 4.1 Premessa 4.2 La resistenza di terra 4.3 I potenziali del terreno 44 Dispersori in parallelo 4.5 Resistenza verso terra di una persona 4.6 Tensione totale e tensione di contatto 4.7 Considerazioni sulla tensione di contatto

101 101 101 105 107 108 110 113

Capitolo 5 - Generalità sulla protezione contro i contatti indiretti 5.1 Definizioni 5.1 .1 Tipi di isolamento 5.1 .2 Contatti diretti e indiretti 5.1.3 Massa 5.1A Distinzione tra contatti diretti e indiretti 5.2 Misure di protezione contro i contatti indiretti e classificazione deglì apparecchi elettrici 5.3 La curva di sicurezza

115 115 115 116 117 120 121 124

Indice

5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Massa estranea Pericolosità della tensione al variare della frequenza Classificazione dei sistemi elettrici in relazione alla tensione Classificazione dei sistemi elettrici in relazione alla messa a terra Classificazione degli apparecchi in relazione alla mobilità

7

129 130 l31 134 136

Capitolo 6 - Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi TT Requisiti della protezione 6.1 6.2 Protezione mediante dispositivi a massima corrente 6.2.1 Coordinamento tra resistenza di terra e dispositivi di protezione 6.2.2 Limiti della protezione L'interruttore differenziale 6.3 Protezione mediante interruttori differenziali 6.4 6.4.1 Una protezione razionale ed efficace 6.4.2 Impianto di terra comune a più derivazioni 6.4.3 Scelta dell'interruttore differenziale. Selettività 6.4.4 Dispositivi toroidali 6.5 L'equipotenzialità nei sistemi TI 6.6 Il relè di tensione Il neutro nei sistemi TI 6.7

139 139 143 143 146 147 151 151 153 156 162 164 166 168

Capitolo 7 - Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi TN Circuito equivalente 7.1 Circuiti di distribuzione e terminali 7.2 La sicurezza fuori dell'area equipotenziale 7.3 7.4 Tensioni sul neutro in condizioni anomale del circuito 7 A.I Tensioni che hanno origine sull'impianto di terra del neutro 7.4.2 Tensioni che hanno origine sul conduttore di neutro Il guasto non franco a terra 7.5 7.6 Interruttori differenziali nel sistema TN 7.7 Collegamento equipotenziale supplementare 7.8 Il sistema TN e le reti pubbliche di distribuzione in bassa tensione 7.9 Confronto tra ì sistemi TN e TI

171 171 178 184 186 186 188 190 191 191 193 195

Capitolo 8 - Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi IT 8.1 Caratteristiche del sistema IT La situazione normativa 8.2 8.3 Le sovratensioni 8.3.1 Guasto resistivo a terra 8.3.2 Guasto induttivo a terra

197 197 201 205 205 207

Fondamenti di sicurezza elettrica

Capitolo 9 • Protezione contro i contatti indiretti senza interruzione automatica del circuito 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.3 9.4 95 9.6

Introduzione Protezione con l'impiego di apparecchi di classe II L'isolamento Requisiti degli apparecchi di classe Il Condutture di classe II Protezione per separazione elettrica Protezione per mezzo di locali non conduttori Collegamento equipotenziale locale non connesso a terra Altri sistemi di protezione

211 211

211 212 214 216 218 222 224

224

Capitolo lO· Protezione contro i contatti indiretti in alta tensione

225

10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.3 10.4 10.5

225 225 225 228 231 231 233 236

Premessa Andamento del potenziale sulla superficie del terreno Elettrodo emisferico Elettrodo sferico profondo Rete magliata La tensione di passo La corrente convenzionale di terra Tensioni ammissibili per un guasto a terra in alta tensione

Capitolo 11 • Sicurezza nell'interfaccia con sistemi a tensione superiore Il .1 Il .2 11.3

Generalità Guasto a terra sull' alta tensione Le situazioni più comuni

Capitolo 12 • Esecuzione dell'impianto di terra 12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.6 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3

Premessa Il dispersore Resistenza di terra del dispersore Collocazione dei dispersori. Terre artificiali Geometria del dispersore L'impianto di terra di fondazione I dispersori di fatto esterni La corrosione del dispersore Conduttori di terra e di protezione Sezioni minime convenzionali Sezioni minime calcolate Altri requisiti

241 241 243

245 249 249 249 250

252 253 256 259 260

263 263

266 268

Indice ~-------------------

...~-_ ...

9

Il conduttore PEN L'impedenza dell'anello di guasto I conduttori equipotenziali

272 275 277

Capitolo 13 • Protezione contro i contatti diretti

279 279 279 280 280 289 290 295

12.4

12.5 12.6

13.1 Generalità 13.2 Misure di protezione totali 13.2.1 Isolamento 13.2.2 Involucri, barriere e gradi di protezione 13.2.3 Rimozione di involucri e di barriere 13 .3 Misure di protezione parziali 13.4 Protezione per limitazione della carica elettrica e della corrente 13.5 Norme particolari

Capitolo 14 - Interruttori differenziali e protezione contro i contatti diretti 14.1

14.2 14.3 14.4

14.5 14.6

Premessa Confronto tra la protezione contro i contatti diretti e indiretti Limiti protettivi in particolari condizioni circuitali Una misura di protezione addizionale Dispositivi di prova e di regolazione Affidabilità degli interruttori differenzi.ali

297

299 299 300 302 308 312

315

Capitolo 15 • Sistemi a bassissima tensione

317

15.1 15.2

317 317 320

15.3 15.4 15.5

Premessa Bassissima tensione di sicurezza (SELV) Bassissima tensione di protezione (PELV) Apparecchi di elasse III e protezione contro i contatti diretti e indiretti Bassissima tensione funzionale (FELV)

Capitolo 16· Applicazione delle misure di protezione contro i contatti diretti e indiretti Premessa 16.1 Considerazioni sul rischio relativo ai contatti diretti e indiretti 16.2 16.2.1 Limiti di sicurezza diversi 16.2.2 Classificazione degli apparecchi 16.2.3 Sul divieto di collegare a terra apparecehi di elasse II 16.2.4 Gli apparecchi di elasse IV 16.3 Confronto tra le misure di protezione contro i contatti indiretti 16.4 Necessità della protezione contro i contatti diretti e indiretti 16.5 Le condizioni ambientali di maggior rischio elettrico Luoghi a maggior rischio elettrico 16.6

322

324

327

327 327 327

328 333 334

335 339 340

341

10

16.6.1 16.6.2 16.6.3 16.6.4 16.6.5 16.7 16.8 16.9 16.10

Fondamen~ti~di~~~~~~~~ ________.________________

Generalità Luoghi conduttori-ristretti Locali contenenti bagni o docce Piscine Cantieri edili Gruppi elettrogeni: protezione contro i contatti indiretti Requisiti di sicurezza delle prese a spina Saldatura ad arco Messa a terra di apparecchi elettronici

Capitolo 17 • Sicurezza elettrica del paziente in ospedale 17.1 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.3 17.3.1 17.3.2 17.3.3 17.4 17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.4.4 17.5

Premessa Microshock Paziente con il cuore in collegamento elettrico con l'esterno Nodo equipotenziale e trasformatore d'isolamento Simmetria verso terra Sicurezza degli apparecchi elettromedicali Correnti di dispersione Correnti di dispersione al primo guasto Limiti delle correnti di dispersione Elettrobisturi Principio di funzionamento Pericoli per il paziente Sistemi di protezione Misure di sicurezza nell'uso Manutenzione, verifiche periodiche ed errore umano

341 343 344 347 349 353 357 363 367 373 373 374 374 377 381 383 383 384 385 387 387 388 389 391 392

Parte terza: Seziona mento e comando

393

Capitolo 18 • Sezionamento, comando d'emergenza e comando funzionale

397 397

18.1 18.2 l 8 .2.1 18.2.2 18.2.3 18.2.4 18.2.5 18.3 18.4 18.5 18.5.1

Premessa Sezionamento Ge nerali tà Sezionamento del conduttore di neutro Il sezionatore Altri dispositivi di sezionamento Quando il sezionamento non è sufficiente Interruzione per motivi non elettrici Comando d'emergenza Il comando funzionale: alcuni aspetti di sicurezza Interruttori di comando unipolari

397 397 399 404

406 407 408 410 411 411

11

18.5.2 18.5.3 18.6 18.7 18.8

Comando motori Prese a spina come dispositivo di manovra L'interruttore generale Installazione degli interruttori Tabelle sinottiche

Capitolo 19 • Circuiti di comando 19.1 19.2 19.3 19.4 t 9.5 19.6 19.7

Premessa Circuito di comando a sicurezza positiva Requisiti del contatto di sicurezza Protezione contro il funzionamento intempestivo per guasti a terra Tensione di alimentazione dei circuiti di comando Il doppio contattore Colori per pulsanti di comando e indicatori luminosi

Parte quarta: Protezione contro le sovracorrenti Capitolo 20 . Scelta dei dispositivi di protezione delle condutture contro il sovraccarico 20.1 20.2 20.3 20.4 20.4.1 20.4.2 20.5 20.6 20.6.1 20.6.2

Portata di un cavo Sovracorrenti e transitorio termico del cavo Curva di sovraccaricabilità di un cavo Caratteristiche d'intervento dei dispositivi di protezione Interruttori automatici Fusibili Definizioni Requisiti del dispositivo di protezione contro il sovraccarico Corrente nominale Caratteristica d'intervento

Capitolo 21 - Scelta dei dispositivi di protezione delle condutture contro il cortocircuito 21.1 21.2 21.3 21.4 21.4.1 21.4.2 21 .4 J

Brevi richiami sulla corrente di cortocircuito Potere d'interruzione e di chiusura Sollecitazione termica di un cavo in condizioni di cortocircuito Requisiti del dispositivo di protezione contro il cortocircuito Fusibili Interruttori automatici Quale cortocircuito

411 412 413 414 417 419 419 419

422 425 432 432 432 435

439 439

446 449 451 451 455 455

457 457 461

465 465 469

473 476 478 479 481

12

ì

sicurezza elettrica

I

21.5 21.6

Coordinamento tra interruttori e fusibili Dispositivi !imitatori di corrente

482 484

Capitolo 22 - Applicazione dei dispositivi di protezione contro le sovracorrenti 22.1 Necessità e ubicazione del dispositivo di protezione 22.l.1 Sovraccarico 22.1.2 Cortocircuito 22.2 Protezione contro il sovraccarico e il cortocircuito 22.2.1 Dispositivo di protezione unico 22.2.2 Dispositivi di protezione distinti 22.2.3 Considerazioni finali 22.3 Comportamento dell'interruttore differenziale, senza sganciatori di sovracorrente, in condizioni di cortocircuito 22.4 Protezione dei conduttori di fase e di neutro 22.4.1 Sistemi TI e TN 22.4.2 Sistemi lT

497 498 498 502

Capitolo 23 - Protezione dei motori contro le sovracorrenti 23.1 Introduzione 23.2 Avviamento del motore e protezione contro il sovraccarico 23.3 Dispositivi di protezione del motore contro il sovraccarico 23.4 Dispositivi di protezione del motore contro il cortocircuito

509 509 510 511 517

Parte quinta: Alimentazione dei servizi di sicurezza

521

Capitolo 24 - Alimentazione dei servizi di sicurezza 24.1 Definizioni e classificazione 24.2 Sorgenti 24.3 Requisiti dei circuiti di sicurezza 24.4 Illuminazione di sicurezza

525 525 526 528 530

Parte sesta: Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione

535

Capitolo 25 - Classificazione dei luoghi pericolosi 25.1 Definizioni 25.2 Tipi di luoghi pericolosi 25.3 Luoghi pericolosi per la presenza di gas 25.3.1 Gradi di emissione

539 539 541 543 543

491 491 491 493 495 495 496 496

,

I

I !

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II

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ì

Indice

I

,

I

I

I

I

,

25.3.2 25.3.3 25.4 25.5 25.6

Grado e disponibilità della ventilazione Tipo ed estensione delle zone pericolose Luoghi pericolosi per la presenia di polveri Luoghi pericolosi per la presenza di sostanze esplosive Le direttive europee

13

544 545 547 548 549

Capitolo 26 - Costruzioni elettriche per atmosfere esplosive. Modi di protezione 26.1 Introduzione 26.2 Modo di protezione a prove d'esplosione "d" 26.3 Modo di protezione a sovrapressione interna Hp" 26.4 Modo di protezione a sicurezza intrinseca "i" 26.5 Modi di protezione a immersione in olio "o" e sotto sabbia "q" 26.6 Modo di protezione a sicurezza aumentata "e" 26.7 Modi di protezione "m" e "n"

555 555 556 561 563 568 569 571

Capitolo 27 • Luoghi con pericolo di esplosione e a maggior rischio in caso di incendio 27.1 Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione 27.2 Impianti elettrici nei luoghi a maggior rischio in caso d'incendio

575 575 579

Capitolo 28 - Elettricità statica 28.1 Formazione e accumulo delle cariche elettrostatiche 28.2 Pericolosità delle cariche elettrostatiche 28.3 Energia elettrostatica accumulata 28.4 Protezione contro le cariche elettrostatiche

585 585 586 586 588

Parte settima: Controllare la sicurezza

593

Capitolo 29 - Misure e verifiche per la sicurezza 29.1 Misura della resistenza di terra 29.2 Misura della resistività del terreno 29.3 Misura della resistenza dell'anello di guasto nel terreno 29.4 Verifica dell'efficacia dell'impianto di terra nei sistemi TI 29.5 Misura dell'impedenza dell'anello di guasto' 29.6 Misura delle tensioni di contatto e di passo 29.7 Prova degli interruttori differenziali 29.8 Verifica del collegamento delle masse all'impianto di terra 29.9 Misura della resistenza di isolamento verso terra 29.10 Misura delle correnti di dispersione negli apparecchi elettromedicali

597 597 603 606 608 610 611 615 616 617 617

14

di

Appendici

623

Appendice l - Calcolo approssimato delle correnti di cortocircuito

625

Appendice 2 - Segni grafici e segnali per la sicurezza elettrica

633

Appendice 3 - Radiazioni ionizzanti

639

Appendice 4 - Il fascio laser

681

Appendice 5 - Radiofrequenze e microonde

693

Appendice (j - Campi elettrici e magnetici a bassissima frequenza

703

Appendice 7 - Video terminali

709

Indice analitico

713

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Indice _~._--

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15

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PREFAZIONE ALLA PRIMA EDIZIONE

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I

In questo volume ho raccolto alcune nozioni fondamentali di sicurezza elettrica in bassa tensione. Gli argomenti non esauriscono la materia, né sono trattati sempre in modo esteso e approfondito, sia per i limiti di chi scrive, sia per rendere più accessibile la materia stessa, che per sua natura deve trovare una larga diffusione. Lo scopo principale non è tanto di indicare le misure per conseguire la sicurezza, che è compito nonnativo, bensì di esporre, discutere e comprendere i problemi di sicurezza di cui la norma fornisce solo una generica soluzione. Questo è necessario fondamento per applicare correttamente qualsiasi regola, o legge, concernente la sicurezza e per trovare una risposta consapevolmente equilibrata agli innumerevoli dubbi e alle molteplici difficoltà in cui spesso si incorre. A questo lavoro hanno contribuito le interminabili discussioni in sede normativa nazionale e internazionale, gli incalzanti quesiti di un vasto pubblico, il senso critico degli studenti, il continuo confronto con progettisti, installatori, collaudatori di impianti elettrici. Mi auguro che questo volume possa costituire un riferimento per gli operatori nel settore elettrico, un testo utile per gli studenti, uno strumento didattico per i docenti, un aiuto per i collaudatori e verificatori; nel complesso un contributo alla sicurezza elettrica, per troppo tempo trascurata nella scuola e nella realtà del nostro Paese. 30 giugno, 1984 Vito Carre scia

PREFAZIONE ALLA SECONDA EDIZIONE Il Il tempo passa in fretta, per gli uomini, ma ancor più per le norme. Sono trascorsi quattordici anni dalla prima edizione di questo volume e le rughe del tempo hanno inciso sul testo, anche se i fondamenti sono fatti per resistere e durare. Sicché ho ripreso la penna con rinnovata lena per revisionare con spirito critico, per aggiornare e ampliare il libro secondo l'evoluzione normativa e legislativa, tenuto anche conto dell'ulteriore esperienza didattica, professionale ed editoriale maturata nel frattempo. Spero che questa nuova edizione trovi una benevola accoglienza da parte dei lettori e rinnovi il lusinghiero successo della prima. Torino, lO maggio 1997 Vito Carrescia

PARTE PRIMA INTRODUZIONE ALLA SICUREZZA

19

l 1 ~I

I

Prima di affrontare i temi tecnici della sicurezza elettrica è opportuno richiamare, molto brevemente, le nonne giuridiche che eleggono la sicurezza contro gli infortuni a diritto di tutti i cittadini e dei lavoratori in particolare, nonché indicare i mezzi e le istituzioni che dovrebbero rendere operante tale diritto. È inoltre necessario fornire alcune definizioni di termini generali, quali sicurezza e rischio, che tutti usano e dì cui molti abusano, con le conseguenti e ben note discussioni, malintesi, arbitrii e mistificazioni. È infine indispensabile, prima di entrare nel merito di "come" conseguire la sicurezza, chiarire "quale" sicurezza si voglia e si debba ottenere; in altri tennÌni discutere la metodologia per individuare il livello di sicurezza accettabile che, come noto, non è mai assoluto. L'infortunio è il sopraggiungere del!.'.!~~.~!sto s~ll'i'!lP!~parato.:. che cosa prevedere e quanto preparare èllnon faCllec;;mpito della tecnica della sicurezza.

21

1

GENERALITÀ

1.1 Le basi legislative della sicurezza La prima fonte legislativa è la Costituzione, dove si può leggere: art. 32: "La Repubblica tutela la salute come fondamentale diritto dell'individuo e interesse della collettività ... "; art. 35: "La Repubblica tutela il lavoro in tutte le sue forme ed applicazioni ... "; art. 41: "L'iniziativa economica privata è libera. Non può svolgersi in contrasto con l'utilità sociale o in modo da recare danno alla sicurezza, alla libertà, alla dignità umana ...". L'art. 32 della Costituzione si riferisce all'individuo, in generale, come cittadino o lavoratore. A quest'ultimo sono rivolte la maggior parte delle leggi inerenti alla prevenzione degli infortuni. La legge 23-12-1978 n. 833 "Istituzione del servizio sanitario nazionale" ha posto sullo stesso piano, almeno in teoria, la sicurezza in ambienti di lavoro e di vita. Il Codice Civile stabilisce: art. 2050: "Chiunque cagiona danni ad altri nello svolgimento di una attività pericolosa. per sua natura o per la natura dei mezzi adoperati, è tenuto al risarcimento se non prova di aver adottato tutte le misure idonee ad evitare il danno"; art. 2087: "L'imprenditore è tenuto ad adottare nell'esercizio dell'impresa le misure che secondo la particolarità del lavoro, l'esperienza e la tecnica, sono necessarie a tutelare !'integrità fisica e la personalità morale dei prestatorì di lavoro". Dottrina e giurisprudenza hanno chiarito che il termine "imprenditore" va inteso nel senso ampio di datore di lavoro, indipendentemente dall'esercizio dell'impresa (attività economica al fine della produzione o dello scambio di beni o di servizi). Il Codice Penale sancisce: art. 437: "Chiunque omette di collocare impianti, apparecchi o segnali destinati a prevenire disastri o infortuni sul lavoro, ovvero li rimuove o danneggia, è punito con la reclusione da sei mesi a cinque anni; se dal fatto deriva un disastro o un infortunio, la pena è della reclusione da tre a dieci anni".

22

di sicurezza

L'articolo suddetto si riferisce al caso in cui c'è volontà e intenzione di omettere le cautele e di non predisporre le misure di sicurezza, ad esempio per non sostenere la spesa relativa. Art. 451: "Chiunque, per colpa, omette di collocare, ovvero rimuove o rende inservibili apparecchi o altri mezzi destinati all'estinzione di un incendio o al salvataggio o al soccorso contro disastri o infortuni aullavoro, è punito con la reclusione fino a un anno e con la multa da lire quarantamila a duecentomila". In questo caso l'evento si verifica a causa di negligenza, imprudenza o imperizia. Gli artt. 589 (omicidio colposo) e 590 (lesioni personali colpose) nel codice penale sono stati integrati con la legge 11-5-1966 n. 296: quando il fatto è commesso in violazione delle norme per la prevenzione degli infortuni sul lavoro, sono aggravate le sanzioni a carico dei responsabili. Un precetto innovativo è stato introdotto con l'art. 9 della legge 20-5-1970 n. 300, nota come Statuto dei Lavoratori: "I lavoratori, mediante le loro rappresentanze, hanno il diritto di controllare l'applicazione delle norme per la prevenzione degli infortuni e delle malattie professionali, e di promuovere la ricerca, l'elaborazione e l'attuazione di tutte le misure idonee a tutelare la loro integrità fisica". Il DLgs 9/412008 n. 81, noto come "Testo unico sulla sicurezza nei luoghi di lavoro" riporta norme generali e particolari di prevenzione degli infortuni e di igiene del lavoro; il decreto contiene, con significative novità, le prescrizioni che erano comprese nelle disposizioni di legge sotto indicate, ora abrogate: DPR 547/55 (Prevenzione infortuni sul lavoro). - DPR 164/56 (Prevenzione infortuni nelle costruzioni). - DPR 303/56 (Norme per l'igiene del lavoro). - DLgs 277/91 (Protezione dall'amianto e rumore). DLgs 626/94 (Sicurezza e salute dei lavoratori). DLgs 493/96 (Segnaletica di sicurezza). - DLgs 494/96 (Cantieri temporanei e mobili). - DLgs 187/05 (Vibrazioni meccaniche). - Legge 123/07, artI. 2, 3, 5, 6, 7 (Misure in tema di sicurezza sul lavoro). Tra le altre disposizioni di legge in materia di sicurezza sui luoghi di lavoro si segnala, in particolare: il DPR 22/101200 l n. 462 sulle verifiche degli impianti di terra, dei dispositivi di protezione contro le scariche atmosferiche e degli impianti nei luoghi con pericolo di eslosione; - il DLgs 17/3/l995 n. 230 che attua alcune direttive EURATOM in materia di radiazioni ionizzanti. Nel settore elettrico è di fondamentale importanza la legge 1-3-1968 n. 186: "Disposizioni concernenti la produzione di materiali, apparecchiature, macchinari, installazioni e impianti elettrici ed elettronici" che consta dei seguenti due articoli:

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Generalità

---~~

... - - -

23

Art. 1: 'Tutti i materiali, le apparecchiature, i macchinari, le installazioni e gli impianti elettrici ed elettronici devono essere realizzati e costruiti a regola d'arte". . Art. 2: "1 materiali, le apparecchiature, i macchinari, le installazioni e gli impianti elet~riCi ed elettronici realizzati secondo le norme del Comitato Elettrotecnico Italiano si conSiderano costruiti a regola d'arte". . Circa la libera circolazione del materiale elettrico nell'ambito dell'Unione Europea, Vl.g~ la legge 18- 10-1977 n. 791 "Attuazione della direttiva del Consiglio delle .Comun~ta Europee (n. 73123 CEE) relativa alle garanzie di sicurezza che deve possedere Il matenale elettrico destinato ad essere utilizzato entro alcuni limiti di tensione" integrata dal DLgs 25-11-1996 n. 626 sulla marca tura CE del materiale elettrico in bassa tensione, par. 1.3.2 e 1.3.3. Agli impianti elettrici utilizzatori si applica il DM 22/l/2008 n. 3~, par. 1.3.4. Vale la pena infine di sottolineare che sono destinatari dell'obbhgo dell~ Sicurezza, .oltre all'imprenditore, tutti gli operatori di un processo produttivo, ciascuno m rmsura dipen.. . dente dalle capacità decisionali e di intervento che gli competono. Sono così responsabili della sicurezza, ciascuno per la propria parte: costrutton, ven~lton, noleggiatori di macchine, di attrezzature e di impianti, progettisti, direttori del.lavon, collaudatori, ispettori, dirigenti, impiegati e operai. Tutti devono operare con dilIgenza, prudenza e perizia ed osservare leggi, regolamenti, ordini e discipline al fine di non nuocere a se stessi e agli altri.

1.2 Gli enti normatori nazionali e internazionali Il Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) è una associazione senza fine di lucro che ha tra l'altro lo scopo di "stabilire i requisiti che devono avere i materiali, le macchine, le apparecchiature e gli impianti elettrici perché essi rispondano alle regole della buona elettrotecnica, e i criteri con i quali detti requisiti debbono essere controllati". Fonda.to nel 1907 dall' AEI, è stato ricostituito nel 1964 ad iniziativa dei seguenti soci (rifondaton): Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR); Associazione Elettrotecnica ed Elettronica Italiana (AE1); Ente Nazionale per l'Energia Elettrica (ENEL); Associazione Nazionale Industrie Elettrotecniche ed Elettroniche (ANIE). Il CEI è l'organismo italiano di normalizzazione elettrotecnica ed elettronic.a. .. Gli intensi scambi commerciali internazionali non consentono a un paese mdustnahzzato di adottare norme difformi da quelle degli altri paesi. Nell'intento di addivenire ad ~na normalizzazione per quanto possibile uniforme è sorta l'lnternational Electrotechmcal Commission (IEC), che raccoglie tutti i paesi industrializzati del mondo.

24

Fondamenti di

elettrica

In base all'art. 100 del trattato di Roma, costituente la Comunità Econom ica Europea, i paesi membri si sono impegnati ad eliminare gli ostacoli agli scambi commerciali. La diversità delle nornle nazionali costituisce un esempio di tali ostacoli, per la cui eliminazione sono sorti il CEN (Comitato Europeo di Normazione) e, per il settore elettrico, il CENELEC (Comitato Europeo per la Normalizzazione Elettrotecnica). Il CENELEC emette documenti di armoruzzazione (HD) i cui contenu ti tecnici devono èssere introooffì-ìiéIfe-noÌme dei paesi 'membri, oppu;;;-norme europee 'chede~o~o­ essere tradotte e àdotiate quaIinormenazionalì. Il CEI partecipa attivamente ai lavori normatÌvi internazionali; le norme nazionalì sono allineate e continuamente aggiornate con gli sviluppi normativi internaz ionalU Infine, come previsto dalla legge 23-12-1978 n. 833 "Istituzione del servizio sanitario naziona le", è stato costitui to con DPR 31-7-19 80 n. 619 l'Istitut o Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro (ISPES!:2, tra i cui compiti figura: '1::~individua­ zione, in via esclusiva, dei criteri di sicurezza e dei relativi metodi di rilevazione ai fini d;;lla omolog~iione di macchine, di c;u;.ponentrdi i;npi;;mi,·dr;pp~è~hi,·d r~t;.;;;mr;;

~i-;~~(~rso~;~di·p;oteilon~~·no;]èhé'~I[~L~~Ìle.sE~~ìflst;t~~icll~='!?m:.àJi~~~~

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1.3 La confor mità alle norme La conformità alle norme assume aspetti diversi, secondo che si tratti dei singoli componenti elettrici (componenti del!' impianto e apparecchi utilizzatori), o dell' intero impianto elettrico. 2

1.3.1 Conformità alle norme dei componenti elettrici Esistono alcuni segni grafici corrispondenti a diversi accertamenti della conformità del prodotto alle norme CEI: il contrassegno CEI ed i marchi di qualità (!MQ). Essi sono indi cati in Fig. l.I. Il contrassegno CEI viene applicato dal costruttore ai prodotti che, secondo il suo parere, corrispondono alle norme CEI. Si tratta quindi di una autocertificazion e di rispondenza alle norme, che ricade sotto la compIeta responsabilità del costruttore. Per esporre il contrassegno CEI occorre seguire una certa procedura amminis trativa, e il CEI si riserva, in teoria, la facoltà di effettuare in qualsiasi moment o la verifica della rispondenza alle norme del prodotto munito di contrassegno. In pratica il sistema si basa soprattutto sulla fiducia nel costruttore.

l Le nonne CEI sono indicate con due numeri (classifica zione CEI): il primo indica il numero del Comitato, il secondo numero è progressiv o. Ad esempio la norma CE! 23-42 è emessa dal Comitato Tecnico 23 "Apparecc hiatura a bassa tensione" e riguarda gli interruttori differenziali. La stessa norma è indicata anche come ll()f1JllI CE! EN 61008-1, essendo la traduzione della norma europea EN 61008-1. 2 Il termine "materiale elettrico" è sinonimo di "compone nti elettrici" (proviene dal francese materie! é/ectrique e trova corrispond enza nell'ingles e electrìcal equipmeJU).

\

I

Il l

I

25

Contrass egno CEI Nel rettangolo inferiore va indicato il numero della norma a cui il prodotto è conforme.

Marchlol MQ Utilizzato per apparecchi e componenti, attesta la conformità dei prodotti elettrici ai requisiti delle norme CEI ed EN.

~3

\

I

Il

Marchio ENEC ENEC marchio comune europeo, attesta la conformità alle norme EN di apparecchi di illuminazione e relativi componenti, delle apparecchiature per la tecnologia dell'informazione, del. . . trasformatori, degli interruttori e dei componenti per apparecchi elettriCi.

MarchioH AR Attesta la conformità dei cavi di bassa tensione alle norme armonizzate europee.

Marchio IMQ PERFORMANCE È un marchio di qualità per cavi e per apparecchi di illuminazione. In particolare per questi ultimi certifica, oltre alla sicure~a, anche le caratteristiche fotometriche del prodotto, quali Il rendimento e la distribuzione delle intensità luminose

Marchio IMQ-EMC . Attesta la conformità ai requisiti di compatibilità elettromagnetica stabiliti dalle norme europee EN.

Marchio IMQ-SISTEMI DI SICUREZ ZA . . Attesta la conformità alle prescrizioni di sicurezza e prestaZioni . contenute nelle relative norme CEI. Viene rilasciato alle apparecc hiature destinate ad essere utilizzate nei sistemi di sicurezza (impianti . . antintrusione e antifurto, rilevazione e segnalaZione incendiO, sistemi controllo accessi, sistemi protezione impiego non autorizzato veicoli).

Fig. l.l - Contrassegno CEI e marchi di qualità (IMQ).

26

di

elettrica

Su alcuni prodotti di grande serie, soprattutto ad uso domestico o similare, il costruttore può richiedere la concessione d'uso del marchio IMQ (Istituto Italiano del Marchio di Qualità). Il marchio di qualità viene concesso, e mantenuto, se sono soddisfatte le seguenti condizioni: approvazione del costruttore: le strutture produttive e di controllo del costruttore, che richiede la concessione del marchio di qualità, sono atte a garantire la qualità del prodotto; - approvazione del prototipo: il prototipo supera le prove di tipo .previste nelle norme CEI corrispondenti; controllo della produzione: la produzione corrisponde al prototipo (controlli di qualità effettuati in fabbrica e su campioni prelevati dal mercato). Il marchio di qualità fornisce, quindi, maggiori garanzie all'utente che non il contrassegno CEI. Non a caso il primo è previsto per materiale elettrico a bassa tensione destinato al pubblico profano di elettricità, mentre il secondo si applica a grosse apparecchiature e macchine elettriche ad uso industriale. Nella norma relativa a ogni apparecchio elettrico è precisato se esso possa essere sottoposto all'esame dell'IMQ per ottenere il marchio di qualità. L'insieme di prove sostenute presso un laboratorio al fine di ottenere il relativo marchio qualità non dà diritto ad ottenere ìl marchio presso un-;;Jtro paese-(si;t~-;:;;~ dicértifi~~i~ne

~eciprOCoru--

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'>._-" . - ,....""-----.".'-,---.

Un accordo di validità reciproca della certificazione è stato raggiunto tra la maggior parte dei paesi europei per i cavi di bassa tensione (HAR) e per gli apparecchi di illuminazione (ENEC) I Nella tabella I.A sono indicati i marchi di conformità alle norme utilizzati in alcuni paesi industrializzati. Da ricordare, infine, il Testo unico sulla sicurezza (DLgs 81108), in base al quale:

~ i progettisti sono tenuti a rispettare i principi generali di prevenzione ed a scegliere attrezzature, componenti e dispositivi di protezione rispondenti alle disposizioni legislative vigenti (art. 22); i fabbricanti ed i fornitori non possono vendere, noleggiare o concedere in uso attrezzature di lavoro, dispositivi di protezione individuale ed impianti che non siano conformi alle vigenti disposizioni in materia di sicurezza (art. 23); gli installatori di impianti, attrezzature di lavoro o altri mezzi tecnici devono attenersi alle norme di sicurezza ed alle istruzioni dei relativi fabbricanti (art. 24).

i Il Certification Body (CB) e il Cenelec Certification Agreement (CCA) sono organismi internazionali che cercano di sviluppare un sistema di certificazione reciproco. Da citare anche il keYl1",rk. marchio europeo di confonnità alle nonne (non solo elettriche).

27

Generalità

Tabella 1.A - Marchi di conformità alle norme di alcuni paesi

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Paese

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Prodotti elettrici e non elettrici. Attesta la conformità alle . norme SAA (Standards Association of Australia)

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austriaco

installazione

I-B~E~L-G-I-O----~-------+-M-a-r-ch-i-O-C-E--B-E-C-~"M~a-te-r~ia~le~d:-il:-'n-st~a~ll~az--:i-o~ne~e--I

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apparecchiature elettriche

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S Sicurezza assoluta

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Equisicurezza K4 d 4 >KJ d3

.... x

Fig. 2.3 Valutazione dei livelli di SIcurezza accettabili, secondo i criteri dell,eqUiSiCUreZza e dell'equicosto.

Questi punti presentano ovviamente tutti la stessa derivata della sicurezza ris,petto al costo relativo, sicché questo criterio può essere denominato di equidenvata dell~ sicurezza. Se aumenta il danno probabile, se cioè l'evento sfavorevole può avere statlSllCam~nle c~n­ seguenze più gravi, cresce naturalmente il prezzo che si è disposti a. p,agare per eVlt~e I evento e divengono accettabili incrementi minori di sicurezza per umta di costo relat~vo. I.n altri tennini diminuisce il valore della derivata della sicurezza rispetto al costo, che lll,dlVIdua il livello di sicurezza accettabile ed i punti corrispondenti sulle curve a, b, c, d, dlvengonoA', B', C', D', Fig. 2.4. . . Il criterio ora esposto, dell' equiderivata della sicurezza, può essere vantagglos~ente applIcato tutte le volte che da un detenninato livello di sÌcurezza se ne debba raggIUngere uno superiore, non bene individuato; sicché senza un preciso criterio la rincorsa verso la sicurezza assoluta potrebbe prolungarsi all'infinito. E questi casi sono molto frequenti: I~ genere infatti si parte da esperienze precedenti con livelli di sÌcurezza già sperimentati e l' 0, , . l' l biettivo è proprio quello di migliorare questi livelli, assecondandolI nella loro evo uZlone. l Accade così che in alcuni settori. seppure ad elevato rischio, si è raggiunto un livello di sicu~ezza in~idia­ bile, come ad esempio nel campo degli ascensori (st.atisticamente nel nostro paese, una persona s~blSce un mfor: mnio solo dopo aver percorso due miliardi e mezzo di corse in ascensore), mentre altn setton present,ano tuttora. note voli livelli di riscllio, come ad esempio l'edilizia e il trasporto stradale. L'id,eal.e sarebbe mdmzzare le nsorse econollliche disponibili laddove è maggiore l'incremento della sicurezza per umta dI costo e dove Il danno probabIle è più elevato.

56

Sicurezza assoluta

B'

D'

m ----------------~

x

Fig.2.4 Valutazione dei livelli di sicurezza accettabili, secondo il criterio deU'equiderivata della sicurezza.

Il crit~rio del!'equiderivata della sicurezza non può viceversa essere compiutamente applic~to la d~ve Il .valore assoluto della sicurezza fosse manifestamente insufficiente. In questi

casI partlco"~n, ad ese~plO di nuove tecnologie da sperimentare, in cui le difficoltà per ottenere la sicurezza siano troppo elevate. la derivata della sicurezza rispetto al costo ~otrebbe scende~e a valori m~lto piccoli, ma non per questo la sicurezza corrispondente ~are~~ acce~tabile (ad esempIO: curva m di Fig. 2.4); si tratta allora di ricercare non tanto ti mlg~lOre livello di sicurezza accettabile, come in genere accade, quanto piuttosto di nnunclare ~ quella certa attività od opera, perché non è conseguibile un livello di sicurezza economicamente accettabile con i mezzi tecnici disponibili. Vale la pena sott~lineare che se si ha a che fare con un rischio, naturale o residuo, molto ~o~est~. n~l decidere se adottare una misura di protezione occorre mettere in conto anche II nsch.1O di altra natura che tale misura di protezione può provocare, o che la sua stessa messa In opera comporta: questo rischio potrebbe essere paragonabile a quello e il non far nulla la soluzione migliore. l

È. i.nfi~e il caso di precisare come non possano esistere diversi livelli di sicurezza accetta-

b~h nel co~front! di un problema compiutamente e oggettivamente definito; possono solo dlverger~ I m~1 attraverso cui .conseguire lo stesso livello di sicurezza. È comprensibile un margIne di Incertezza, ove mtervengano valutazioni personali, si può passare da un • l È stato ad ~sempio ~aJutato che le scale esterne degli edifici, imposte con troppa facilità in alcuni aesi ai fini d=" e~acbubeaz.tone ID caso d mcendm, hanno facilitato assassinii, furti e prodotto indirettamente più vitti::e di quelle c e avre ro provocato glI mcend. senza tali uscite di soccorso.

di sicurezza

57

livello precedente ad uno migliore in tempi successivi, ma non è ammissibile a priori considerare un intervallo entro cui il livello di sicurezza possa essere ritenuto accettabile, proprio perché la ricerca dell'accettabile riguarda il limite inferiore, cioè quanto sia necessario mettere in atto, non essendovi alcun limite verso l'asintotica sicurezza assoluta. Né sembra corretto affermare che esiste un livello minore imposto dall'obbligo giuridico e un livello maggiore previsto dallo stato dell'arte, ché quello fa riferimento a questo.

2.6 Il rischio indebito Il livello di sicurezza è stato definito come accettabile in relazione al danno probabile, ai vantaggi ed alle necessità connesse con quel certo apparecchio, azione o attività. Esso comporta un rischio residuo LI - S(t)]kd, che, come sopra esposto, non ha mai valore nullo. A volte, l'uso di un certo apparecchio, o l'intraprendere una certa azione o attività, non comporta manifestamente alcun vantaggio o non è affatto necessario. In questi casi viene meno ogni legittimazione del rischio residuo, che diviene così un rischio indebito. È il caso, ad esempio, del parafulmine radioattivo. La presenza delle sostanze radioattive non migliora affatto l'efficacia del sistema di protezione, cosÌ come è unanimemente riconosciuto dalla letteratura scientifica e dalle stesse norme. Ebbene, l'uso della sostanza radioattiva rappresenta in questo caso un rischio indebito nei riguardi della esposizione alle radiazioni ionizzanti e del pericolo di contaminazione dell'ambiente, anche se rientra nei limiti di sicurezza. È il caso ancora dell'uso indiscriminato di esami radiografici da parte dei medici poco scrupolosi. La dose assorbita in questi casi trova una giustificazione solo nei vantaggi diagnostici dell'esame; se questi vengono palesemente meno, il rischio, mai nullo, di aver sopportato quella dose di radiazione diviene un caso tipico di rischio indebito.

2.7 L'errore umano

°

Si è fin qui fatto riferimento alla sicurezza nei confronti di un guasto in una macchina in un impianto. Ma spesso è l'uomo, con il suo comportamento, la causa di un infortunio, perché: l. compie un errore (persona addestrata); 2. travalica la misura di protezione predisposta (persona profana), uscendo così dalle condizioni prestabilite cui la sicurezza si riferisce. Per persona addestrata, o qualificata, si intende una persona che abbia una preparazione tecnica adeguata al compito che deve svolgere, par. 13.1. La qualificazione è particolarmente importante tutte le volte che il pericolo è ineliminabile in quanto strettamente connesso alle funzioni dell'apparecchio (apparecchio non proteggibile). È il caso del pericolo di tagliarsi con un coltello: ogni misura di protezione impedi-

Fondamenti di sicurezza elettrica

[ebbe al coltello di tagliare. La misura di protezione in questi casi è costituita dalla qualificazione dell'operatore. Il profano è il beneficiario delle misure di sicurezza ma può. con la sua condotta imprudente o negligente, superare tali misure, uscendo dalle condizioni prestabilite eui la sicurezza è riferita. Di qui la necessità di intervenire sull'uomo quale destinatario delle misure di sicurezza o quale misura di sicurezza egli stesso, mediante: - una opportuna informazione nel caso dei profani; - una opportuna selezione e formazione per gli operatori qualificati. L'uomo ha una affidabilità alquanto scarsa. Valga in proposito la statistica pubblicata dal "National Safety Council" americano. Serrare viti: Controllare uno schema e azionare gli interruttori indicati sul quadro comandi: Leggere un manometro: Leggere le istnlzioni d'uso e procedere nel modo indicato:

l errore su 9600 operazioni giuste l errore su 890 operazioni giuste l errore su 200 operazioni giuste I errore su 16 operazioni giuste.

In particolare, il profano va informato che ogni misura di sicurezza comporta un rischio residuo. nei confronti del quale egli deve tenere una condotta prudente; diversamente la misura di protezione potrebbe avere un effetto controproducente, esaltando l'imprudenza del profano: è ad esempio il caso di un interruttore differenziale ad alta sensibilità se presentato come soluzione globale di ogni problema di sicurezza elettrica (par. 14.4). Analogamente nella persona qualificata è da combattere la tendenza all'assuefazione al pericolo che la porta a trascurare o a ridurre le misure di protezione. L'intervento in tal senso verso il profano e verso la persona qualificata, presenta tutte le difficoltà tipiche di ogni azione tendente a guidare il comportamento dell'uomo. Contemporaneamente ogni cura deve essere posta per migliorare il rapporto uomo-macchina, secondo i più recenti dettami dell'ergonomia, in modo che siano ridotte le probabilità di errore umano. In alcuni casi è necessario predisporre inoltre sistemi di segnalazione o automatismi al fine di limitare od evitare, una volta che l'errore sia stato compiuto, gli effetti dannosi. Ciò è tanto più importante quanto più elevato è il rischio. Il presente capitolo è tratto in gran parte da "Introduzione alla filosofia della sicurezza" V. Carrescia - G. Gorbellini L'Energia Elettrica, Agosto 1980.

PARTE SECONDA CONTATTI DIRETTI E INDIRETTI

61

Il contatto di una persona con parti in tensione può detenninare il passaggio di una corrente attraverso il corpo umano, con conseguenze anche mortali. È questo il pericolo più comune, senz'altro più noto, connesso con l'uso dell'elettricità. Dall'entità degli effetti fisiopatologici prodotti dalla corrente elettrica sul corpo umano dipendono i limiti di sicurezza. La sicurezza può essere conseguita per mezzo di diversi sistemi di protezione, attivi o passivi, per mezzo dei quali si cerca di limitare la corrente, o di ridurre il tempo per cui questa può fluire, attraverso il corpo umano. La distinzione tra contatti diretti e indiretti facilita l'individuazione delle caratteristiche del sistema di protezione; in entrambi i casi la terra costituisce spesso uno dei poli del circuito di guasto o del circuito nel quale si trova inserita la persona, sicché conoscere il comportamento elettrico del terreno è indispensabile per impostare e risolvere numerosi problemi di sicurezza elettrica. Nei luoghi dove maggiore è il rischio, le misure di protezione devono essere attentamente valutate e applicate, con particolare riferimento agli ambientì medici, dove sofisticati apparecchi elettromedicali di diagnosi, di terapia e di riabilitazione possono rendere il paziente estremamente vulnerabile ai pericoli dell' elettricità.

umano

3

63

CORRENTE ELETTRICA E CORPO UMANO

3.1 Brevi richiami di elettrofisiologia Correva l'anno 1790 quando Luigi Galvani, professore di anatomia all'università di Bologna, condusse i suoi celebri esperimenti sulla contrazione del muscolo di rana per mezzo di un bimetallo. Egli dichiarò trattarsi di "elettricità animale" che si scaricava attraverso il bimetallo; Alessandro Volta, professore di fisica all'ateneo pavese, non soddisfatto di questa spiegazione, cercò di dare al fenomeno una interpretazione fisica più completa e corretta. Galvani fece bene ad associare l'attività elettrica a quella biologica, ma Volta aveva ragione nel considerare la rana un semplice conduttore elettrolitico, che chiudeva il circuito tra due metalli di natura diversa. Fu così l'inizio della pila in elettrotecnica e dell'elettrofisiologia in medicina. Da allora lo studio dei rapporti tra elettricità e organismo vivente - elettrofisiologia ha progredito enormemente. Le variazioni di potenziale prodotte dall'attività biologica, registrate all'esterno del corpo, sono indicative del funzionamento normale o anormale di determinati organi, ad esempio del cuore (elettrocardiogramma), dei muscoli (elettromiogramma), del cervello (elettroencefalogramma), dell'occhio (retinogramma). Il tentativo di comprendere, anéhe molto sommariamente, il meccanismo d'azione della corrente elettrica sul corpo umano, non può quindi che iniziare da alcune nozioni elementari di elettrofisiologia.

3.1.1 Il potenziale di riposo Molto impietosamente, il corpo umano può essere definito un sacco d'acqua pieno di ioni; tali sono infatti le cellule e il liquido interstiziale che le separa. Gli ioni (K+, Na+, Cl', ecc.) si muovono secondo il gradiente di concentrazione: tendono cioè a diffondersi verso le zone di minore concentrazione (diffusione). Ciascuno di essi è inoltre soggetto al campo elettrico generato dall'insieme degli altri ioni. Gli ioni non si diffondono ugualmente dentro e fuori la cellula, poiché la membrana cellu-

64

Fondamenti di

v

microelettrodo

liquido extracellulare

a)

b)

Fig. 3.1 - a) La cellula allo stato di riposo presenta un potenziale, negativo all'interno rispetto all'esterno, misurabile con un milli voltmetro. b) Schema elettrico equivalente di una cellula: la membrana variamente permeabile agli ioni Na+ K+ CI· ' , , ecc., si comporta come una capacità (I .;. IO#F/cm2).

lare presenta una permeabilità agli ioni di tipo selettivo; essa è molto più permeabile allo ione potassio, K+, che non allo ione sodio, Na+. Un particolare meccanismo biologico trasporta inoltre gli ioni potassio dentro la cellula e contemporaneamente espelle gli ioni sodio; questa azione di pompaggio bio-chimico avviene a spese dell'energia dell'organismo (pompa metabolica). L'insieme dei fenomeni suddetti fa sì che la cellula presenti un potenziale negativo all'interno rispetto all'esterno (potenziale di riposo). Nelle cellule del sistema nervoso centrale dei mammiferi, il potenziale di riposo assume indicativamente il valore di -70 mV: una differenza di potenziale più che rispettabile per una particella di dimensioni trascurabili.

Corrente elettrica e

65

In altre parole, la membrana cellulare separa cariche elettriche e svolge dunque le funzioni di un condensatore. In Fig. 3.1 b) è indicato lo schema elettrico equivalente di una cellula: la resistenza indica che la membrana non è perfettamente isolante, la pila corrisponde al potenziale di riposo.

3.1.2 Il potenziale d'azione Se ad una cell~la eccitabile, ad esempio del sistema nervoso o del tessuto muscolare, si applica un impulso di corrente di polarità inversa a quella della cellula (impulso depolarizzante), di durata e ampiezza adeguati, il potenziale della cellula da negativo diviene positivo per poi ritornare al valore primitivo, secondo l'andamento tipico di Fig. 3.2. L'andamento del potenziale è la registrazione dello stato di eccitamento della cellula e prende il nome di potenziale d'azione. Lo stimolo, rappresentato dall'impulso elettrico, aumenta di 500 .;- 1000 volte la permeabilità della membrana agli ioni sodio; l'ingresso di questi ioni positivi depolarizza la cellula, nel senso che annulla la differenza di potenziale tra interno ed esterno, fino ad invertirne la polarità.

120mv

Fig.3.2 Durante lo stato di eccitamento la cellula si depolarizza, il potenziale da negativo diviene positivo. L'andamento del potenziale durante l'eccitamento deUaceUula prende il nome di potenziale d'azione.

66

di

e al tempo per cui Lo stimolo eccita la cellula solo se ha un'intensità sufficiente in relazion l'eccitamento è produrre di capace t durata di permane. L'intensità minima l de\l'imp ulso essione: data dall'espr

(I)

cellula l = I(t) ~ove lo e H son~ c~stanti tipiche della cellula. La curva di eccitabilità della e rappresentata

IO

Fig. 3.3.

l' eccitamenIl termine lo rappresenta la minima intensità dello stimolo capace di produrre Per reobase. di to della cellula se applicato per un tempo indefirùto: essa prende il nome cui per minimo mdlVlduare la curva, più che al valore di H, si fa riferimento al tempo ento (cronassia). deve essere applicato uno stimolo di ampiezza 210 per produrre l'eccitam

Curva di eccitabilità

// //

//

. Reobase

ta alla durala. Hg. 3.3 . Per eccitare la cellula lo stimolo deve avere intensità appropria

___.______.. _ ...________ .6~.7~. ~ __..___._.___.______ ._____._._____C~o_rr.~ecnct..ec~.c~~~._~,~~~. ~um~~an~o:._.

ra e questo signiLa curva di eccitabilità corrisponde sensibilmente a un 'iperbole equilate mazione alla approssi prima in sensibile è cellula la che , tlca, nel caso di stimoli elettrici stessa. cellula della esterno ed interno tra ta quantità di carica elettrica I· t scambia eccitabilità la cellula Se l'impuls o, per durata e intensità, si trova al disotto della curva di curva si innesca il della sopra di al cade o l'impuls a vicevers rimane allo stato di riposo; se all'inten sità ionale proporz è non d'azione le potenzia potenziale d'azione . L'ampiezza del di quiete, stato uno da passa cellula La nulla. o tutto dello stimolo, ma segue la legge del l uno. zero, ad uno stato di eccitamento, ati nel tempo; se gli La curva di eccitabilità si riferisce a stimoli sufficientemente distanzi solo parzialrisponde o stimoli gli tutti a risponde stimoli sono ravvicinati la cellula non susseguente tempo di llo l'interva assoluta rietà mente. Si definisc e periodo di refratta produce non vo successi stimolo uno quale il all'inizio dell'ecc itament o cellulare, durante . l'eccitamento, qualunque sia la sua intensità di tempo, che segue Si definisce analogamente periodo dì refrattarietà relativa l'intervallo ente l'eccitanuovam produrre può stimolo uno cui il periodo di refrattarietà assoluta, in Fig. 3.3. In dì quella a e superior lità eccitabi di curva mento della cellula, ma secondo una a nessuno tempo certo un per più risponde non , altre parole la cellula, una volta eccitala ento l'eccitam no produco ne che quelli di intensi più stimolo; poi risponde solo a stimoli somma alla (pari io refrattar periodo detto tempo, certo un allo stato di riposo, e solo dopo rispond e agli stimoli del periodo refrattar io assoluto e del periodo refrattario relativo) 3.3. Fig. secondo la curva di eccitabilità di refrattario, si verifiSe lo stimolo dura ininterrottamente, per tempi più lunghi del periodo ento all'inizi o, ma l'eccitam produce stimolo Lo . dazione ca un fenomeno detto di accomo adattatasi alla cellula, la nto: eccitame nuovo un finito il periodo refrattario non produce forte intendi stimolo uno Solo lità. eccitabi di soglìa nuova situazione, ha aumentato la vi. successi enti eccitam provoca sità, se applicato per lungo tempo, di unità funzionali Il sistema nervoso dell'uom o è costituito da alcune decine di miliardi (assone) ed ha, amento prolung lungo un di dotato è unicellulari, detti neuroni. Il neurone collegamento in mettersi può esso segnali; di ione come compito fondamentale, la trasmiss specializzati contatti o attravers ecc., le, ghiando con ri, con altri neuroni, con fibre muscola le d'azion e potenzia del zione propaga la tramite si (sinapsi). l segnali vengono trasmes controlla la nervoso sistema il elettrica attività are lungo l'assone . Tramite questa particol ecc., e ione, respiraz la cuore, del battito il , muscolo contrazi one e l'estens ione di un e tattili acustici, vi, olfatti (ottici, li sensoria stimoli gli comunica con il mondo esterno: nervoso sistema al si trasmes , elettrici stimoli in recettori gustativi) vengono tramutati dai centrale e decodificati.

medianle meccanismi le ti.lOzioni Gli studi di bionica (biologia. elettronica), la scienza che cerca di simulare nervosa. La sensazione più violenta procellula della binario ento comportam dal appunto ti incoraggia stati vitali, sono o nulla. Ogni fibra ha infatti una propria soglia vocata da uno stimolo più intenso non contra,ta con la legge del tutto rispetto a uno stimolo più ùebolc:. fibre di numero maggior un di eccitamento e uno stimolo più intenso eccita I

68

Fondamenti di sicurezza elettrica

3.1.3 La soglia di sensibilità Anche se in realtà i fenomeni sono molto più complessi di quelli sopra descritti, le nozioni elementari richiamate suggeriscono alcune utili considerazioni. L'attività biologica si accompagna ad una attività elettrica. Nulla da meravigliarsi quindi che correnti elettriche esterne, sommando si alle piccole correnti fisiologiche interne, possano alterare le funzioni vitali dell' organismo, fino a provocare effetti letali. La curva di eccitabilità della singola cellula contiene già i presupposti della curva di pericolosità corrente-tempo per l'intero corpo umano; infatti anche quest'ultima non si discosta molto da un'iperbole equilatera, par. 3.3.1. Dalla curva di eccitabilità della singola cellula si comprende perché una corrente ad alta frequenza sia meno pericolosa di una corrente a bassa frequenza. Una corrente alternata va vista come un susseguirsi di singoli impulsi (stimoli) di durata 1I2f. Al crescere della frequenzafaumenta quindi l'intensità dello stimolo necessario per produrre l'eccitamento. Questa è la principale ragione della minor pericolosità della corrente all'aumentare della frequenza, mentre l'effetto pelle ha un'influenza minore sul fenomeno, par. 3.3.2. Così con l'elettrobisturi si applicano sul paziente correnti elevate, a frequenza di alcuni megahertz, senza pericolo di folgorazione, par. 17.4. Come si vedrà più estesamente nel prossimo paragrafo, la corrente continua è meno pericolosa della corrente alternata; il fenomeno di accomodazione, appena descritto per la singola cellula, giustifica tale differenza. li complesso equilibrio elettrofisiologico spiega anche l'elevata sensibilità del corpo umano alle correnti elettriche. La soglia di sensibilità (percezione), cioè il minimo valore di corrente che produce una sensazione, è all'incirca di 45 ilA (elettrodi appoggiati sulla lingua, l'organo più sensibile alla corrente elettrica, ad un centimetro di distanza). Un po' meno sensibilì sono le altre parti del corpo umano; sui polpastrelli delle dita si hanno valori di soglia di 0,5 mA (valore efficace) a 50 -:- 100 Hz e 2 mA in corrente continua.

3.2 Effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo umano può determinare numerose alterazioni e lesioni, temporanee o permanenti. La corrente elettrica produce un'azione diretta sui vasi sanguigni, sul sangue, sulle cellule nervose (stato di shock); può determinare alterazioni permanenti nel sistema cardiaco (aritmie, lesioni al miocardio, alterazioni permanenti di conduzione), nell'attività cerebrale (modificazione dell'elettroencefalogramma) e nel sistema nervoso centrale; può arrecare danni all'apparato uditivo, a quello visivo, ecc. Gli effetti più frequenti e più importanti che la corrente elettrica produce sul corpo umano, i fenomeni principali che contribuiscono a definire i limiti di pericolosità, sono fondamentalmente quattro:

umano

69

_ tetanizzazione; arresto della respirazione; _ fibrillazione ventricolare; - ustioni. 3.2.1 Tetanizzazione In Fig. 3.410 stimolo elettrico è applicato ad una fibra nervosa; se lo stimolo ha intensità e durata appropriate, produce un potenziale d'azione che si propaga lungo la fibra nervosa fino al muscolo. Sotto l'azione dello stimolo il muscolo si contrae per poi ritornare allo

a)

b)

Forza di contrazione del muscolo

c)

d)

Fig.3.4 Effetti sul muscolo di più stimoli elettrici applicati al nervo (stimolazione neuromuscolareì·

70

Fondamenti di sicurezza elettrica

stato di riposo, Fig. 3.4 a). Se al primo stimolo ne segue un secondo, dopo il periodo refrattario, ma prima che il muscolo sia tornato allo stato di riposo, i due effetti possono sommarsi, come illustrato in Fig. 3.4 h). Più stimoli opportunamente intervallati contraggono ripetutamente il muscolo in modo progressivo (contrazione tetanica), Fig. 3.4 c). Se la frequenza degli stimoli sOlpassa un certo linùte, gli effetti si fondono (tetano fuso), il muscolo è portato alla contrazione completa e in questa posizione permane finché non cessano gli stimoli, dopo di che lentamente ritorna allo stato di riposo, Fig. 3.4 d). Quanto sopra descritto in modo elementare accade, anche se in.forma più complessa, nel corpo umano attraversato da una corrente alternata. L'infortunato può rimanere appiccicato alla parte in tensione; il contatto perdura nel tempo e può produrre svenimenti, asfissia, collasso e stato di incoscienza. La tetanizzazione è presente in circa il 10% degli infortuni elettrici mortali. Anche la corrente continua, se di sufficiente valore e durata, può produrre la tetanizzazione; nonostante il fenomeno di accomodazione l'elevata intensità dello stimolo può produrre il ripetuto eccitamento del muscolo. Il più elevato valore di corrente per cui il soggetto è ancora capace di lasciare la presa della parte in tensione, con la quale è in contatto, prende il nome di corrente di rilascio. Questo valore, variabile da persona a persona, è minore per le donne, che sono in genere più sensibili alla correntc elettrica. Mediamente, la corrente di rilascio in corrente alternata a 50 .;- 100 Hz vale circa lO mA per le donne e 15 mA per gli uomini. [n corrente continua i limiti sono più elevati e imprecisi (100 300 mA). Da questi dati si nota come la corrente continua sia meno pericolosa di quella alternata. La corrente continua produce solo un senso di calore al suo passaggio ed il soggetto avverte crampi e malessere alla chiusura e all'apertura del circuito. Ciò è paragonabile, in meccanica, al minor disagio nell'essere sottoposti ad una forza costante piuttosto che a forze variabili.' Elevati valori di corrente non producono il tetano del muscolo 2

l \I passaggio della corrente continua nel sangue produce effetti elettroliticì, perciò molti ritengono, erroneamente, la corrente continua più pericolosa di quella alternata. In realtà i fenomeni elettrolitici assumono una certa consistenza solo in tempi suffIcientemente lunghi, maggiori di quelli che rendono pericolose le altre alterazioni indotte dalla corrente elettrica sul corpo umano. con particolare riferimento aUa tetalliu.azione. L'entità del fenomeno elettrolitico non è pertanto tale, nel complesso, da influire in modo determinante sulla soglia di pericolosità della corrente elettrica. 2 Sotto un certo aspetto ciò corrisponde alla credenza popolare secondo la quale "r alta tensione respinge e la bassa tensione attrae". In realtà, una tensione elevata può essere meno insidiosa qualora deleITI1lni il passaggio di una corrente superiore ai hvelli di telanizzazione e tale da provocare una violenta reazione del muscolo. con conseguente distacco della persona dalla parte in tensione. In questo caso, se il valore di correme non è eccessivo in relazione al tempo per cui fluisce, l'infortunato non subisce gravi conseguenze. Ad una tensione inferiore può invece corrispondere una Corrente di tetanizzazione che, quantunque minore della precedente. potrebbe risultare piil pericolosa in quanto trattiene l'infortunato a contatto con la parte in tensione

Corrente elettrica :::e_:-::=:c.u:cm=a::.:n:::o_.~._~. ___._._.__._ ~. __._.__._.7_1

3.2.2 Arresto della respirazione Correnti superiori ai linùti sopra indicati per la corrente di rilascio producono nell'infortunato difficoltà di respirazione e segni di asfissia: il passaggio della corrente determina una contrazione dei muscoli addetti alla respirazione o una paralisi dei centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria; se la corrente perdura, l'infortunato perde conoscenza e può morire soffocato. Circa il 6% delle morti per folgorazioni è dovuta ad asfissia. Di qui l'importanza della respirazione artificiale (respirazione bocca a bocca), della tempestività con la quale è applicata e della durata per cui è praticata. È necessario soprattutto intervenire immediatamente dopo l'infortunio, entro 3 4 min al massimo, per evitare l'asfissia dell'infortunato e lesioni irreversibili al tessuto cerebrale.

3.2.3 Fibrillazione ventricolare Il muscolo cardiaco (miocardio) si contrae ritmicamente 60 .;- 100 volte al minuto e sostiene, al pari di una pompa, la circolazione sanguigna nei vasi. La contrazione delle fibre muscolari è prodotta da impulsi elettrici provenienti da un particolare centro - il nodo senoatriale posto nella parte superiore dell'atrio destro. È questo un vero e proprio generatore biologico di impulsi elettrici che comandano il cuore. In Fig. 3.5 l'osciIloscopio ha registrato i potenziali d'azione emessi dal nodo senoatriale nel cuore dì un coniglio.

Fig.3.5 Potenziali d'azione del nodo senoatriale nel cuore di un cOnlglio~

72

Fondamenti di

Tramite il tessuto specifico dì conduzione (fascio di His, fibre di Purkinje ) gli impulsi di comando provenienti dal nodo seno atriale vengono trasmessi al muscolo cardiaco. L'impulso raggiunge quindi il nodo atrioventricolare, dal quale si diparte il fascio di His che conduce lo stimolo alle fibre muscolari dei ventricolì (fibrille); queste si contraggono e producono così la sistole ventricolare che spinge il sangue nel sistema arterioso , Fig. 3.6. All'attività del cuore corrisponde il campo elettrico dì Fig. 3.7 a). Con un millivoltmetro si può misurare direttamente la differenza di potenziale che si stabilisc e tra parti diverse del corpo durante il ciclo cardiaco. La curva U U(t) è del tipo indicato in Fig. 3.7 b) (elettrocardiogramma) . Se iI generatore biologico di impulsi, per una qualsiasi alterazione patologi ca, viene meno alla sua funzione, può essere sostituito da un generatore artificiale di impulsi elettrici: il pacemaker. 1 L'intercambiabilità tra il generatore naturale di impulsi e quello artificia le prova, se ce n'era bisogno, che nel cuore vengono generate e circolano correnti analogh e a quelle che percorrono un comune circuito elettrico. Se alle normali correnti elettriche fisiologiche si sovrappone una corrente elettrica, di origine esterna, enormemente più grande, è facile immaginare quale scompig lio tale azione esterna porti nell'equilibrio elettrico del corpo. Gli impulsi elettrici generati dai centri nervosi costituiscono tanti ordini di azionamento trasmessi ai muscoli; se altri impulsi elettrici estranei si sovrappongono ai primi, i muscoli in mancanza di ordini coordinati, non svolgeranno più il loro compito. È quanto succede alle fibrille del ventricolo: ali' attività elettrica normale corrisponde il pulsare ordinato e ritmico del muscolo cardiaco; al sopraggiungere dell'azio ne perturbatrice esterna le fibrille ricevono segnali elettrici eccessivi ed irregolari, vengono sovrastimolate in maniera caotica e iniziano pertanto a contrarsi in modo disordin ato, l'una indipendent emente dall'altr a, sicché il cuore non riesce più a svolgere la sua funzione. È il fenomeno della fibrillazione ventricolare, responsabile di oltre il 90% delle morti per folgorazione. 2 Qualcosa del genere succede anche nei soggetti colpiti da infarto. In questo caso. a seguito dell'ostruzione di un'arteria coronaria, parte del tessuto specifico di conduzi one è leso, e non trasmette più gli impulsi elettrici che continu ano viceversa a provenire dal nodo senoatriale. L'attività elettrica cardiaca diventa disordìn~ta, irregolare, è può così subentrare la fibrillazione ventricolare, Fig. 3.8. La fibrillazione ventricolare era ritenuta in passato un fenomeno irreversì bile: un fenomeno cioè che non si arresta anche se cessa la causa che l'ha prodotto, ma prosegue fino alla morte dell'infortunato. È stato in seguito dimostrato che una scarica elettrica violenta, opportuna1 Dall'ingle se. che fa (maker) il passo (pace). Il pacemake r può essere alimentato dalla rele elettrica ed essere esterno al corpo: gli elettrodi di stimolo sono allora applicali sul muscolo cardiaco attraverso un catetere che, introdotto nella vena alla piega del gomito. giunge fino al cuore. Se il paziente necessita di una stimolazione continua e pennanent e, un paremaker a batteria viene collo· cala dal chirurgo entro il corpo: il paziente è così libero di riprendere senza disagio la SUa nonnale attività. 2 La corrente elettrica può produrre anche la fibrillazion e atriale, ma questa è reversibile. e funzionalmente non così grave come la fibrillazione ventri colare

73

umano

Nodo senoatriale

..

/

Fascio di His

////

-~.

Nodo atrioventricolare

Fig. 3.6 Dal nodo senoatriale parte l'impulso elettrico ch~ determin a la contrazione. atrioventricolare raccoglie l'impulso e lo trasmette, tramite Il fascIO di HIS, al ventncoh .

/

cuore.

/

Potenziale zero

U

r--r. -,_ . 'I.

•

1

r - - .. 1

I

R

I ! · \

\.

....... t

b)

a) Fig. 3.7 _ a) Campo di corrente corrispondente aIrattività cardiaca: con tratteggio sono indicate le linee di corrente e con tratto pieno le linee equipotenzialI. . . . . bl Le tensioni misurate tra punti esterni del corpo durante il ciclo cardiaco danno ongme a un diagramma tipico dell'attività elettrica del cuore (elettrocardIOgramma).

74

.__ ._~~~__ .....F .. ondame~n~ti~d~i~~~.~~~e~le~tt~ri~c~a__ ~ ..__~__~_______

Fibrillazione ventricolare

R

a)

T

ECG p

as

b)

Pressione del sangue

mmHg

40

J...- . . . _-

400ms

Fig, 3,8della fibrillazione ventricolare,

-1

o a} e della pressione sanguigna b) prima e dopo l'innesco

mente dosata, può arrestare la fibrillazione stessa, È quanto si cerca di' fare co l' h' n apparecc lO de f n'b'll I atore,' attraverso due elettrodi applicati sul t ' , ,,' " orace SI scanca un condensatore attraverso la regione cardiaca del paZiente, Agli effetti pratici la fibrillazione ventricolare è d , '_ derare tuttora U~l fenom~no irrevers,ibile, in quanto ben raramente si ha a disposizion: ~ons;_ sonale specializzato e l apparecchiatura elettrica adatt 'l'' pe a per soccorrere mfortunato entro breve tempo, Il tempo in questi casi giuoca un ruolo im rta t ' " " , " , " po n e, cessata I attlvIta cardiaca entro circa tre mmutl Intervengono leslOflI Irreparabili al muscolo card' I , " , Jaco e a tessuto cerebrale, Nella maggioranza del casI m tale breve intervallo di tempo è praticamente . 'b'l l" f ' Impossi I e portare In ?rlunato I~ un os~dale attrezzato, Si può tuttavia prolungare l'intervallo di tempo utile t' , , con ti massaggiO cardiaco e la respirazione bocca a bocca ma il te , , , ' mpes IVO mtervento medico, con apparecchiO defnbIllatore, è deteITrÙnante per il successo dell'o d' l Gr f ; ' , , pera I soccorso , l S orzI deg!I spenmentatori si ~ono da tempo concentrati nella ricerca delle mi~ime correnti capacI dI Innescare la fibnllazione, in relazione al tempo per l'I q l fl ' ttr 'l ua e Ulscono a aver:o I C?rpo umano, Le esperienze non hanno fornito risultati concordi, Le ma iori dlffico~ta che Impediscono una definizione precisa della soglia di fibrillazione vent ,ggl nco are sono di segUito flassunte, Impossibilità di sperimentare direttamente sull'uomo e difficolta' d' t I I ' , l' , I es rapo are a corpo umano I flSU tatl ottenuti su animali, In genere si ritengono applicabili all'uomo i risultati

a)

I L'assenza del polso e la dilatazione della pupilla denotano nell'inf _, _ _ sto cardiaco, ortunato la hbrillaZione ventncolare o "arre-

Corrente elettrica e

75

umano

ottenuti su animali con sistema cardiovascolare simile a quello umano, con l'applicazione di elettrodi ad una zampa anteriore e alla zampa opposta posteriore, Altre informazioni possono essere dedotte dallo studio e aniliisi di infortuni da elettrocuzione, essendo peraltro anche questa via irta di difficoltà e di incertezze, per l'impossibilità pratica di risalire ai valori corrente-tempo che hanno deteITrÙnato l'infortunio, b) La corrente che va ad interessare il cuore, causa diretta della fibrillazione è solo una frazione della Gorrente totale che fluisce attraverso il corpo umano, Poiché la sola corrente totale è misurabile, ad essa si riferisce la soglia di fibrillazione, ma il rapporto tra le due correnti non è costante: esso varia da individuo a individuo e per lo stesso individuo dipende dal percorso della corrente, 1/ percorso della corrente, oltre che influire sul valore della corrente che interessa la zona cardiaca, deteITrÙna anche la direzione del campo elettrico che agisce sul cuore; e la probabilità di innesco della fibrillazione varia con la direzione dei campo elettrico, In corrente alternata, per valutare l'influenza del percorso della corrente sulla probabilità di innesco della fibrillazione ventricolare è stato introdotto il fattore di percorso F. Si prenda come riferimento il percorso mano sinistra-piedi, Se la corrente I rif nel percorso di riferimento e la corrente I nel percorso che si considera hanno la stessa probabilità di innescare la fibrillazione, il fattore F per il percorso considerato è definito dal rapporto: F

=

In!

l

Nella tabella 3,A sono indicati i fattori di percorso per alcuni percorsi tipici della corrente, Il percorso mano sinistra~torace è il più pericoloso nei confronti della fibrillazione ventricolare, Tabella 3.A - Fattori di percorso per alcuni percorsi tipici della corrente

Percorso

Mani - piedi Mano sinistra - piede sinistro Mano sinistra - piede destro Mano sinistra - piedi Mano sinistra - mano destra Mano sinistra - dorso Mano sinistra - torace Mano destra ~ piede sinistro Mano destra ~ piede destro Mano destra - piedi Mano destra - dorso Mano destra - torace Regione glutea verso mano destra o sinistra o entrambe le mani Piede sinistro - piede destro

Fattore dì percorso (F)

l 0,4 0,7 1,5 0,8 0,8 0,8

0,3 1,3 0,7

0,Q4

76

Una cOrrente continua, diretta dalla testa verso i piedi, ha la stessa probabilità di innescare la fibrillazione ventri colare di una corrente di metà valore diretta nel verso opposto. c) Esiste un breve intervallo di tempo nel ciclo cardiaco nel quale il ventri colo è elettricamente instabile. Se gli stimoli sono applicati in questa particolare fase del ciclo cardiaco la probabilità che si inneschi la fibrillazione ventricolare aumenta notevolmente. Tale intervallo di tempo, indicato con linee tratteggiate in Fig. 3.7 b) prende il nome di periodo vulnerabile e grosso modo cade all'inizio dell'onda T dell'elettrocardiogramma. Esso corrisponde alla fine del periodo di refrattarietà delle fibrille ventricolari, prima che giunga il nuovo stimolo di contrazione; le fibrille non più pilotate dallo stimolatore naturale sono più sensibili agli stimoli esterni. d) Correnti di durata maggiore del ciclo cardiaco (05 .,;- I s) sono più pericolose di quelle

di durata inferiore. Quando la corrente dura più cicli cardiaci, può produrre nei primi cicli una contrazione del ventricolo fuori tempo (extrasistole) che rende disomogeneo il funzionamento elettrico del cuore, sicché nei cicli successivi l'innesco della fibrillazione ventricolare ne risulta facilitato. Per correnti di durata inferiore al ciclo cardiaco la probabilità di innescare la fibrillazione ventricolare è minore, sia perché viene a mancare l'azione perturbatrice nei cicli precedenti, sia perché gli stimoli potrebbero non interessare il periodo vulnerabile. e) Elevati valori di corrente non provocano in genere la fibrillazione ventricolare. Possono non avere effetto, possono determinare l'arresto del cuore o indurre alterazioni organiche pernlanenti nel sistema cardiaco. 3.2.4 Ustioni Il passaggio di corrente elettrica su una resistenza è accompagnato da sviluppo di calore per effetto Joule; il corpo umano non fa eccezione a questa regola generale. Si consideri un volume di tessuto biologico omogeneo di sezione costante S, lunghezza l e resistività p, attraversato da una corrente l per un tempo I:!J:. Se si Suppone il fenomeno adiabatico, trascurabili le perdite dielettriche e le variazioni della resistività p con la temperatura, il bilancio termico vale:

dove c è il calore specifico medio riferito all'unità di volume e !:l8 l'aumento di temperatnra. Da cui: !:l8 ==

~c (l-y S

I:!J:

L'aumento di temperatura dipende dal quadrato della densità di corrente e dal tempo per cui la corrente fluisce attraverso il corpo umano.

È facile concludere che le ustioni peggiori si hanno sulla pelle (marchio elettrico), poiché questa presenta una resistività più grande dei tessuti interni, par. 3.4, inoltre

77

Corrente

la densità di corrente è maggiore in corrispondenza dei punti di entrata e di uscita della corrente. 1 Densità di corrente di alcuni milIiampere al mllhmetro q~a~rato, c~~ perdurino per tempi dell'ordine del secondo possono già determinare ustIOnI; denslt~ di corrente di circa 50 mA/mm 2 provocano la carbonizzazione della pelle In pochi secondi, Fig. 3.9. . . . Alle alte tensioni gli effetti termici della corrente sono predomÌ.nanti su.g~1 ~Itn effetti d~le­ teri; lo sviluppo di calore provoca estese distruzioni di tessuti su~erfIClal.1 e profondi, la ttura di arterie con conseguenti emorragie, la distruzione di centn nerVOSI, ecc. ustioni da folgorazione sono le più profonde e le più difficìli da guarire. Quando le .. ustioni sono estese la morte sopravviene spesso per insufficienza renale. Oltre che dal passaggio diretto di corrente attraverso il corpo umano, le .ustlOnI .possono essere provoca te dall 'arco elettrico (con emissione dì gas e di . vapon .sUITlscaldatl . . e t0851. ci, proiezione di particelle incandescenti, irragg~ament.o .t~rmlco, raggi ultraVIOletti, ecc.) o , da temperature eccessive prodotte da apparecchi elettricI.. Il marchio elettrico è spesso utilizzato per l'obiettivazione medico-legale dell elettroc~­ zione; può essere evidenziato e distinto da lesioni puramente termiche, attraverso le modlficazioni caratteristiche che il passaggio di corrente produce nella stru~tura ~lcroscopl~a dei tessuti. Esso manca quando piccole correnti fluiscono, per tempi breVI, attraverso ampie superfici di contatto. Il marchio elettrico è presente nel 25% degli infortuni mortali in bassa tensione e nell'89% in alta tensione.

~

I I unti di "entrata" e di "uscita" della corrente non hanno invero un significato preciso. trattandosi in g7nere di .. ffi ace r indicare le ZOne attraverso le quah la corrente dali esterno p pe . scritta per entrata si intende il punto di contatto tra corrente alternata, ma è una tennmo.logla molto e IC , passa nel corpo umano e viceversa. Secondo una convenZiOne mal . umano e per uscita il contatto tra questo e terra. . . l parte ~.;'ttlva e c,ocpo 1 3 .._. 2 degli elettrici non devono. superare nel servizio ordmano. e Le paru a portata d:Imano, 'par. . apparecchi . . temperature di seguito indicate, neanche per breVI peno 1,5 T . c) Corrente alternata di pericolosità equivalente per t < 0,75

ie .

3.3.3 Pericolosità delle correnti non sinusoidali

~ corrent.i ~i ~onna d'onda non sinusoidale sono sempre più diffuse a causa dei dis VI

elettromcl dI regolazione della potenza.

sitipo

La loro ~ricolosità è intennedia tra quella della corrente continua e della corrente alternata Nel segUIto sono date alcune infonnazioni di massima sulla pericolosità delle corren~i alternate con componenti continue e sulle correnti a regolazione di fase (parzializzate).

Corrente elettrica e

85

umano

Correnti alternate con componenti continue

Per durate di contatto lunghe, cioè più di 1,5 Te' dove Te è il periodo cardiaco, il valore efficace lev della corrente alternata che presenta la stessa probabilità di fibrillazione vale, Fig. 3.16 b):

dove Ipp è il valore picco-picco della corrente non sinusoidale. Per durate di contatto brevi, cioè inferiori a 0,75 Te' si ha, Fig. 3.16 c):

dove lp è il valore di picco della corrente sinusoidale. Quanto sopra è tanto più vero quanto più la componente alternata è prevalente sulla continua; come noto, se il valore efficace della componente sinusoidale è inferiore al 10% della componente continua, la corrente è da considerare, ai fini della pericolosità, come una corrente continua liscia, Fig. 3.12. Per durate di contatto comprese tra 1,5 Te e O,75 Te i limiti di pericolosità sono allo studio. Correnti alternate con regolazione di fase

La pericolosità nei confronti della fibrillazione di una corrente parzializzata cambia secondo che il tempo per cui fluisce sia lungo (t> 1,5 Tc) o breve (t < 0,75 Tc) e che la regolazione sia simmetrica o asimmetrica. La tabella 3.B riassume la situazione, per angoli di regolazione a < 120", Fig. 3.17. Per angoli a > 120 i limiti sono allo studio. 0

Tabella 3.8 Pericolosità di correnti alternate con regolazione di fase (o. \

0,5

..

\ \\

0,2·

\.

\

\\

\\

\.

\

0,1 - 1 - - - - - - - - - - , , - - - - 100

1000

\

\

! . _ - ' - ' - - - - _..---...

10000

I (mA)

mano sinistra-piede. Per altri Fig.3.19 Probabilità di fibrillazione per correnti impulsive nel percorso percorsi della corrente sì applica il fattore di percorso.

do.Po. un tempo pari La scarica capaciti va dura teoricamente per un tempo infinito.; di fatto., praticamente dissiè a tre Vo.lte la costante di tempo (t == 3 RC), l'energia del co.ndensatore la condizio.ne: tta pata. Pertanto la scarica può essere co.nsiderata impulsiva se è soddisfa

3 RC< IOms so.praindicati per le Se tale co.ndizio.ne no.n è soddisfatta no.n so.no. più applicabili i limiti scariche impulsive. tensione di carica del La Fig. 3.20 traduce i limiti di Fig. 3.19 in termini di capacità e di condens atore. 3.21. Il DPR 547/55 stabilisce un limite di l kVA che risulta eccessivo., Fig.

3.4 Resistenza elettrica del corpo umano perico.Io.se. Le une e le Spesso., più che alle co.rrenti perico.lo.se, ci si riferisce alle tensio.ni a del Co.rpo umano.. altre so.no. o.vviamente legate, tramite la legge di Ohm, alla resistenz impeden za capacitiva. In verità il Co.rpo umano. co.rrisPo.nde, in termini circuitali, ad una iso.lante tra "eletLa capacità Cp risiede principalmente nella pelle, che si interpone come

89

Corrente

U (kV) 12

Probabilità

fibrillazione I/entricolare 50% (c3)

Probabilità di fibrillazione I/entricolare 5% (C2)

I

-+

4

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

e della tensione di carica del Fig. 3.20 - Probabilità di fibrillazione in relazione al valore della capacità condensatore.

Po.ne una resistenza Rp trodo. e il tessuto. co.ndutto.re so.ltostante. In parallelo alla capacità si za interna del Co.rpo dovuta so.prattutto. ai pori della pelle, e in serie ad entramb e la resisten umano R., Fig. 3.22. stabilirsi di. una co.rren~e La Fig. 3.23 mo.stra il picco. di corrente do.vuto. alla capacità, allo corrente di pICCO. fo.rnIla e co.ntinua attraverso. il Co.rpo. umano; il rapporlo. tra la tensione . fornisce la resistenza sce il valo.re della resistenza interna Ri' A regime lo stesso. rapPo.rto to.tale del Co.rpo umano..

ì

I

Umite

ad 1 kVA (DPR 547/55)

Probabilità

8

Probabilità di fibrillazione ventricolare '5% (c,)

I

i ---

6

4

-l

2

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

C (~,F)

Fig, 3,21 - Confronto tra limiti nonnativì (DPR 547/55 e nonne CElI e c d' b b'I" , " c' urve a lversa pro a l ltà di fibnllazlone (cI: 07C; cz: 5%; c3: 50%),

In alternata, il fenomeno 3 24 . La resistenza totale"e mmore nspetto , , , è analogo " Fig -, al caso precedente ~OIche d~cresce all'aumentare della tensione, par. 3.4.1 a), Alla frequenza . , dI 50 Hz e leCito trascurare la piccola capacità della pe Il e e SI' parIa comunemen.te di resistenza del corpo umano RE' I La resistenza , , del corpo umano è una grandezza estremamente van'ab'l I e con Ie cond'" IZIOIll ambientali; nella stessa persona la resistenza elettrica cambia con le 'l ogl. , , con d'" IZIOUI fiISIO che, essendo mtlmamente connessa con l'intero complesso dell'atti' 'tà' b' l ' , VI IO oglca; a mo di' " , , , esempiO, la Flg, 3.25 mostra le vanaZlOUl della resistenza elettrica d Il , , ,, e a cu te d'I una persona, prima, durante e dopo un penodo di mtensa concentrazione mentale, I TI pedice B indica il Body (corpo) secondo la tenninologia nomlativa europea (CEIll-I),

·... _____ .__ Corrente elettrica ec...,..:r_,--,-um~an_o_._..___ _______ ...............9_1_

0----

Rp

l

Cp

0 - - - - -..,

Fig. 3.22 - Il c:orpo umano corrisponde a una impedenza capacitiva, Cp ' Rp capacità e resistenza della pelle nel punto di "entrata" della corrente, Rj resistenza interna del corpo umano, Cp ' Rp capacità e resistenza della pelle nel punto di "uscita" della corrente,

Ai fini pratici, è utile individuare le variabili che influiscono maggiormente sulla resistenza elettrica del corpo umano.

3.4.1 Le variabili La resistenza interna R; del corpo umano dipende soprattutto dal tragitto della corrente e in misura minore dalla superficie di contatto degli elettrodi. La resistenza del corpo umano è concentrata soprattutto negli arti, superiori e inferiori, di sezione ridotta e costituiti di muscoli ed ossa, Fig, 3.26 a). Il tronco, di grossa sezione e pieno soprattutto di acqua, presenta invece una resistenza trascurabile. Fig, 3.26 b). Se il tronco viene considerato un cortocircuito lo schema equivalente del corpo umano diventa il quadripolo di Fig, 3,27, Fatto uguale a cento il valore della resistenza tra due mani, in Fig, 3.28 sono indicati, per le varie parti del corpo, i valori della resistenza corrispondente a un tragitto tra una mano e la parte del corpo considerata, espressi in percentuale della resistenza misurata tra le due

9_2______________!;::>ndamenli di sicu_re_z_z_a._e.-=Ie....:tt__rìc::.:a~......_ .. __.____ .___._._.____._.__

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t

--j 0,1 s

Fig. 3.23 - Oscillogramma della corrente nel corpo per un percorso mano-mano (condizioni asciutte) per 70 70 una tensione applicata di 70 V c.c. (R; 679 Q; Rj + 2Rp = 3043 n). 0,103 0,023

mani. In Fig. 3.29 sono riportati i valori percentuali relativi al tragitto tra due mani e la parte del corpo considerata. Per quanto riguarda la resistenza della pelle, è d'obbligo innanzi tutto precisare che si tratta di una forma abbreviata, per indicare la somma della resistenza di contatto elettrodopelle e la resistenza della pelle vera e propria. La prima non è certo trascurabile rispetto alla seconda; anzi, è quella che subisce le maggiori variazioni con le condizioni ambientali di seguito indicate.

a) Tensione di contatto La resistenza della pelle diminuisce all'aumentare della tensione applicata al corpo umano, Fig. 3.30. Per tensioni superiori a circa 100 V la resistenza della pelle è trascurabile; a 200 V la resistenza è cortocircuitata dalla capacità che non tiene tensioni maggiori e R B può essere confusa con la resistenza interna Rì' Le tre coppie di curve di Fig. 3.30 indicano i valori di R B (ZB) in corrente continua e alternata che non sono sorpassati dal 95%, 50% e 5% della popolazione.

umano

93

-r-I

I 1=420 mA

1= 129 mA

6,2

0

Fig. 3.24

Conente nel corpo umano per tensione di contatto di 200 V (valore efficace), percorso . ~'200 . mano-mano, condizioni asciutte, contatto nell'istante di picco della tensione (R; = = 673 Q, 0,420 200 R+ 2R = - 1550 Q). l

p

0,129

b) Stato della pelle L'umidità diminuisce la resistenza della pelle. Il sudore, soluzione conduttrice di cloruro di sodio e di altri sali, peggiora ancor più la situazione, diminuendo la resistenza anche fino a metà di quella corrispondente a condizioni asciutte. Se il contatto con la parte in tensione capita in un punto dove la pelle in qualche modo è tagliata, ferita o contusa, la resistenza cade a valori molto bassi; avviene il contrario se nella zona di contatto la pelle è indurita, ad esempio per la presenza di calli.

94

un'intens a concentra zione mentale, Fig, 3,25 - Resistenza elettrica dì un soggetto, prima, durante e dopo

c) Superficie di contatto pelle, Ciò accade, All'aum entare della superficie di contatto diminuisce la resistenza della tubazione. una di o caldaia una di no all'inter ad esempio, alla persona che operi distesa a del corpo resistenz sulla contatto di La Fig, 3.31 mostra chiaramente l'influenza dell'area capacità si la V 200 a intorno : tensione la umano; l'influenza è tanto maggiore quanto minore è peso, alcun più ha non contatto di l'area perfora e cortocitcuita la resistenza della pelle, sicché

d) Pressione dì contatto a. È il caso degli Ad una maggiore pressione di contatto corrisponde una minor resistenz ratore, I muscoli dall'ope apparecchi portatili, saldamente sorretti e guidati durante l'uso azione. tetanizz della mano contratti nello sforzo sono inoltre più esposti al pericolo di

e) Durata di contatto se la quantità di caloCon il prolungarsi del contatto, diminuisce la resistenza della pelle; ma a valori elevati. re sviluppata è tale da carbonizzare la pelle, la resistenza può risalire anche

l,

(~~

A~\,

\

'" 'J

4~\Jt;~~(~~~ 26. ,- \lY_< a)

RAD = 26,4% + 10,9% + 9,9%" 47,5%

REH =51,1%

I

",9,9%

~L~ \

\

\0

C'y~~

A

I II ,

+14,1% +32,3%" 51,5%

jlJ1' I 3%

Ii I

" \

b)

j :FI\\,..-:-16 ", \\._--"..1

47,2%

o

o----e=.J--~­

~+ì

~u§

'"

A

1,3%

\

14,1%

I

\ \ \

r!

\

\

\' \ ~..=\

\

\

n-'~ \ \

32,3%\\

\ì \

\\

//)

H

/

Il

l~ lE .~ \ /.., ~,1·1.1 f'

47,2%

I\

\\

\

I I

i

I I

~r;

H'

\J H,

b) Circuito equivalen te, Fig,3.26 a} Resistenz a percentua le delle varie parti del corpo umano,

Mano

Piede

Piede

estremità , __ 7 Schema elettrico equivalente del corpo umano per un percorso della corrente tra le Fig, 12

96

Fondamenti di

Fig. 3.28 Tragitto tra una mano e la parte del corpo contraddistinta con un cerchietto, dove è indicato il valore della resistenza in percentuale della resistenza tra le due mani.

Fig. 3.29 - Tragitto tra due mani e la parte del corpo contraddistinta con un cerchietto, dove è indicato il valore della resistenza in percentuale della resistenza tra le due mani.

f) Frequenza della corrente

All'aumentare della frequenza l'impedenza del corpo umano si riduce gradualmente fino a ridursi alla sola resistenza interna R;, essendo la resistenza della pelle completamente cortocircuitata dalla capacità, Fig. 332.

Corrente elettrica e

umano

8

7

6·

Rs (c.c.) Zs (50/60 Hz)

5

4

3

2

--- ----- -------0+·-..,---,--,---,_···,---,···· 75 100 125 150 o 25 50

.... 175

200

225

Fig. 330 - Valori statistici dell'impedenza totale del corpo umano rilevata per un percorso della corrente mano-mano o mano-piede, per tensioni di contatto fino a 220 V, a 50-60 Hz e In continua.

3.4.2 I valori In tabella 3.C sono riportati i valori indicativi della resistenza RB del corpo umano misurata tra due mani, in condizioni asciutte (area degli elettrodi 50 + 100 cm 2 ), in funzione della tensione applicata. I valori si riferiscono a tre di versi livelli di probabilità che i valori indicati siano sorpassati dal 5%, 50% o 95% della popolazione.

98

1000

100

10

1 l

1

c

I

I i

I

'A

I

,

B

I,

-t-+--+--t--++- -+-+-4~-1"'''' O 25 50 125 150 175 200 225 U (V)

Fig, 331 - La resistenza del corpo umano diminuisce aU' aumentare dell' area di contatto e della tensione di contatto: 2 A area di contatto 8000 mm ; B area di contatto 1000 mm2 ; C area dì contatto 100 mm2 ; D area di contatto lO mm 2 ; E area di contatto I mm 2• Tabella 3.C Valori indicativi della resistenza elettrica del corpo umano, in ohm

Tensione

Va/ori di RB

non sono sorpassati dal

5%

50%

50 75

1450 1250

2625 2200

100

3500

1200

1875

3200

(V) 25

125

95%

6100 4375

1125

1625

2875

1000

1350

2125

750

1100

1550

700

1050

1500

650

750

Corrente elettrica e

99

umano

6000

4000 -+---.-_.-

3000

2000

O+----~------------_r-----~----·_i--~

50

100

500

1000

2000

f(Hz)

Fig. 332 - Impedenza totale del corpo umano in funzione della frequenza. per un percorso della corrente mano-mano o mano-piede,

Le maggiori variazioni di RB con la tensione si hanno per tensioni inferiori a 100 V e sono dovute alla resistenza della pelle. In condizioni di pelle bagnata, per tensioni fino a 50 V, la resistenza RB si riduce, dì circa il 25% con acqua normale e del 50% con soluzioni conduttrici, rispetto ai valori sopra indicati.

100

3.5 Pericolosità del percorso ~ stesso valo~e di tensione applicato tra punti diversi del corpo corrisponde a correnti dIverse, perche. ~d ogni percorso corrisponde un valore diverso di resistenza del corpo umano. Per di pm lo stesso valore di corrente determina probabilità diverse di fibrillazione s~condo il percorso. C'è da domandarsi quale sia, a parità di tensione, il percorso che corrIsponde alla massima probabilità di innescare la fibrillazione ventricolare. Quanto più è piccola la resistenza RB per un dato percorso tanto maggiore è il valore di corrente. per .quel .percorso; quanto più è grande il fattore di percorso tanto maggiore è la proba~lhtà dI fibrIllazione ventricolare. Ne consegue che il percorso più pericoloso è quello comspondente al massimo valore del rapporto FlR . B

Dal.le Figg. 3.28 e 3.29 e dalla tabella 3.A risulta che in pratica i tragitti più pericolosi, a parI tenSIone, sono nell'ordine: mani-torace, mano sinistra-torace, mano destra-torace mani-piedi. In tutt! ques~i casi a una bassa resistenza si aggiunge un elevato fattore di per~ corso. VIceversa, ti tragItto mano-mano risulta tra i meno pericolosi, perché la resistenza del corpo è elevata e il fattore di percorso è piccolo I

U~ caso ~i tragitto molto particolare, di gran lunga più pericoloso di quelli sopra considerati, verra esanllnato In 17.2 (microshock).

i Non si è .ten.ulu como della resistenza della pelle, perché rilenuta costante al variare del tragitto o comunque trascurabile a tenSIOnI supenon a 100 V.

Il terreno conduttore elettrico

--------~-----------~...~

4

101

IL TERRENO CONDUTIORE ELETTRICO

4.1 Premessa La corrente che fluisce attraverso il corpo umano si chiude in genere tramite il terreno,

salvo il caso particolare di una persona isolata da terra e in contatto simultaneo con due punti del circuito elettrico a diverso potenziale. La "terra" è anche coinvolta, direttamente o indirettamente, in quasi tutti i sistemi di protezione. È bene quindi che l'analisi delle situazioni di pericolo per le persone e delle relative misure di protezione inizi dallo studio del comportamento del terreno quale conduttore elettrico. Le prime nozioni elementari, fornite in questo capitolo sull'argomento, costituiscono il necessario bagaglio propedeutico per svolgere qualsiasi tema di sicurezza elettrica.

4.2 La resistenza di terra Il terreno svolge la funzione dì conduttore elettrico tutte le volte che tra due suoi punti viene applicata, tramite degli elettrodi, una differenza di potenziale. Gli elettrodi, immersi nel terreno, prendono il nome di dispersori. Si consideri un dispersore emisferico, sufficientemente distante dall'elettrodo di ritorno per considerare il campo di corrente radiale, Ogni strato emisferico di terreno elementare di raggio r e di spessore dr, presenta al passaggio di corrente la resistenza, Fig, 4.1:

dR=p

dr 2Jtr2

essendo dr la "lunghezza percorsa" dalla corrente, 2:rr;,2 la "sezione attraversata" dalla corrente e p la resistività del terreno, supposto omogeneo.

102

Fondamenti di

Fig. 4.1 Ogni strato emisferico elementare di terreno offre al passaggio di corrente una resistenza che diminuisce con il quadrato della distanza dal dispersore.

È importante osservare come ogni strato elementare, dì Spessore dr, offra una resistenza dR tanto più piccola quanto più è lontano dal dispersore. Ciò a causa della maggior sezione che lo strato elementare offre al passaggio di corrente. La resistenza di terra RE di un dispersore nOli è altro che la somma di tutte le resistenze elementari. I Nel caso di dispersore emisferico si ha:

R E

=pf-='" dr

p

ro2nr2

2nro

Se si vuoI paragonare la resistenza del terreno a quella di un conduttore ordinario, occorre riferirsi a un conduttore di forma conica. In Fig. 4.2 la resistenza del terreno intorno al dispersore emisferico di raggio r o' fino alla distanza r, è equivalente a quella di un conduttore, di resistività pari a quella del terreno, di forma troncoconica con base iniziale di ragr. gio J2 r o e finale di raggio Siano A e B due dispersori sufficientemente lontani e tra essi fluisca la corrente /, 43 a). Tutto succede come se la corrente invece di circolare nel terreno, percorresse il conduttore equivalente schematizzato in Fig. 4.3 b). A sufficiente distanza dal dispersore la sezione del terreno interessata dal passaggio di corrente è talmente grande che la resistenza è pressoché nulla. In prossimità dei dispersori, invece, le sezioni attraverso le quali fluisce la corrente si restringono e aumenta la resistenza offerta dal terreno, Fig. 4.3 c). La resistenza del terreno compreso tra l'elettrodo emisferico di raggio r o e l' emisfera di raggio 2ro vale: I

Il simbolo RE (E da Earthing) proviene dalla normativa europea.

103

" terren()()()~~uttore elett~~~ _.~ -------

I l'

.. Fig. 4.2 La resistenza del terreno equivale a quella di un conduttore elettrico di fOnTIa conica.

Metà della resistenza di terra di un elettrodo emisferico è concentrata nell'emisfero di ter. l reno di raggio doppio dell'elettrodo. 1 Sta. . a . . Ifl . terreno omogeneo e, ut'l l e poiché ' qualunque ... Lo studio de Il 'elettrodo enusfenco forma del dispersore, a una distanza sufficientemente grande le superfiCI eqUipotenzIalI divengono emisferiche (linee di corrente radiali). ' . .. Dato un dispersore di forma qualsiasi di resistenza RE si defimsce eqUivalente emufenco il disperso~e di forma emisferica avente la stessa resistenza di terra Re' Esso avra ovvIamente un raggio re pari a:

Il raggio re prende il nome di "raggio equi valente'.'" . , . , , .~ Il terreno è un conduttore elettrolitico e la resistivlta diminUIsce con l aumentare dell uml dità e della temperatura; le variazioni con l'umidità sono, tuttavia, prevalentI. . . . la I Questo permette la realizzazione delle cosiddene terre artlficlah;

no, prossimo al dispersore) con altro di minor resistività detemuna una dì quel dispersore.

.. d'l un pic 50 V è consigliabile un collegas mento eqUipotenziale supplementare anche se la norma non lo impone.

183

Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi TN

Da osservare, inoltre, che la massa estranea assume il potenziale UE grazie al colleg:unento equipotenziale principale e non c'è quindi differenza di potenziale apprezzabIle tra masse e massa estranea, Fig. 7.7. . In un sistema TN, invece, il potenziale assunto dalI' apparecchio guasto è dovuto all.a caduta di tensione sul conduttore di protezione, Fig. 7.8. Sicché, a valle del guasto, Il potenziale varia da una massa all'altra. Inoltre il potenziale cambia con il punto di guasto se cambia il rapporto Zfl Zp'

\l\

Zs,5s

A

Massa estranea Quadro principale

'-P=---E_ _ _ _ _ _- - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

P

\\ Collegamento equipotenziale principale (EQP)

Fig. 7.12 - Un guasto sull'apparecchio fisso M non d~termina una tensione tra l'apparecchio N e la massa estranea, perché gli apparecchi M e N sono alimentaI! da CirCUII! dlStlfil!.

184

alla base dell' eLa massa estranea assume il potenziale che ha il conduttore di protezione masse a valle le dificio, dove è effettuato il collegamento equipotenziale principale. Tra potenziale, variabidel punto di guasto e la massa estranea si ha pertanto una differenza di 7.8. Fig. , le da una massa all'altra l'appare cchio N La Fig. 7.9 mostra la situazione in cui si stabilisc e una tensione tra tensione permaTale e la massa estranea a seguito del guasto sul circuito di distribuzione. terra sul circuito di ne per un tempo fino a 5 s, ma la probabilità che ac-eada un guasto a piccola. è ione distribuz M. La probabi. La situazione è analoga in Fig. 7.10 per un guasto sull'apparecchio fisso come per i bile, lità che si verifichi un guasto sull'apparecchio fisso non è però trascura N per un chio 'apparec circuiti di distribuzione, e se la tensione RQp Uo 12" trasferita su Il equipoento guasto sull'apparecchio M, supera 50 V è opportuno effettuare un collegam ed N, M chi apparec tenziale supplementare a livello del quadro dì piano, che alimenta gli Fig. 7.11. 1 cchio fisso M è aliLa tensione tra l'apparecchio N e la massa estranea è nulla se l'appare 7.12.2 Fig. mentato da un circuito distinto,

7.3 La sicurez za fuori dell 'area equipo tenzial e più il collegamento All'esterno dell'edificio il riferimento verso terra della persona non è contatto a vuoto, di equipotenziale: la situazione è riportata in Fig. 7.13 a). La tensione valore: il come già detto al par. 7.1, assume

!l.ST

== !l.MN ==

2 +2 -p

-'J

Z p

ta e il tempo Non si ha più la riduzione di tale tensione del 20% precedentemente ipotizza o.3 eccessiv d'intervento di 0,4 s diventa a terra, ad esemSe la massa, oltre ad essere connessa al neutro, ha anche un collegamento e RE e RN sono pio naturale, le condizioni di sicurezza migliorano, Fig. 7.13 b). Le resistenz UMN' Modificano molto elevate rispetto a 2J e 2p e non alterano la tensione preesistente sua parte, e precisaperò la tensione di contatto che non coincide più con UMN ma con una MN' U mente la parte relativa a RE nel partitore RE + RN della tensione

non più daDa Edizione VI (maggio 20(7). Tale collegamenlo era richiesto dalla Edizione V

'

Y

V

Y

Y

..

J

~YYYY-'---------------------------------------------________________________

L1 L2

~YVYY~---------------------------.----------------L3

- - - - - - - - PEN

I--

I I

I I I

IRN

1

I -I I

Fig. 7.17 - L'interruttore differenziale, quand'anche ad alta sensibilità, non protegge la persona in contatto con la massa in tensione a causa dì una delle condizioni anomale del neutro illustrate al paragrafo 7.5.

Si può allora conseguire la sicurezza, pur'aprendo il circuito in un tempo superiore a quello previsto dalla curva di sicurezza, limitando le tensioni di contatto mediante un collegamento equipotenziale supplementare (locale) tra le masse, e tra queste e le masse estranee. Naturalmente il suolo deve essere isolante (R> 50 Hl) oppure metallìco (o con rete conduttrice sotto stante) e incluso nel collegamento equipotenziale supplementare. Il collegamento equipotenziale supplementare ha il fine di porre allo stesso potenziale le masse e le masse estranee, ma non è detto che ci riesca. In Fig. 7.18 l'apparecchio K è talmente lontano dal quadro di alimentazione, dove è stato effettuato il collegamento equipotenziale supplementare, che la caduta di tensione sul tratto di conduttore di protezione che va dall'apparecchio fino al quadro potrebbe superare 50 V, in caso di guasto franco a terra. In questi casi particolari occorre pertanto verificare che la resistenza R tra le masse e le masse estranee simultaneamente accessibili soddisfi la condizione: R < 50 Il

(I)

dove I dovrebbe essere la corrente di guasto, ma per semplicità la norma assume la corrente di funzionamento in 5 s del dispositivo di protezione contro le sovracorrenti. Da notare che il collegamento equipotenziale supplementare viene anche utilizzato per migliorare la sicurezza nei luoghi a maggior rischio elettrico, ad esempio nei locali da bagno, nelle piscine, nei luoghi conduttori ristretti, ecc., par. 16.5. 1 I In questi casi l'alimentazione viene interrotta nei tempi previsti dalla curva di sicurezza in condizioni ordinarie e non è richiesto che il pavimento sia isolato e che sia soddisfatta la l).

193

TN

Quadro secondario

-----------Collegamento equipotenziale supplementare (EQS)

PE

p

Massa estranea

------// Collegamento equipotenziale principale (EQP)

Fig.7.18 Nonostante il collegamento equipotenziale.supplemenIare la pers,ona è soggetta U = R f, dove f è la corrente di guasto franco a terra IO comspondenza dell apparecchio K. HK

7.8 Il sistema TN e le reti pubbliche di distribuzione in bassa t~nsione Nel sistema TN, al contrario di quanto accade nel sistema TT, la sicurezza dell'utente dipende strettamente dalla rete di alimentazione. . . ., . Se il generatore, il sistema di distribuzione e l'utenza sono sotto la stessa glUnsdlzlon~, I~ genere la stessa proprietà, il complesso può essere gestito in m.o~o tale da ga~annre ~ requisiti necessari alla sicurezza del sistema TN. Il che SI venflca ad :semplo negli impianti utilizzatori alimentati con propria cabina, o stazlO~e, di. trasf~~azlO~e .. Nelle reti pubbliche di distribuzione in bassa tensione la SituaZIOne e dlve~sa,. SI pongono complessi problemi di responsabilità tra distributore e utente. NO~ è certo I?dlfferente pe~ il distributore fornire all'utente oltre l'energia elettrica anche la sicurezza. E una scelta di

I-m''''''''''',n'' di

fondo che va fatta a priori, se si raggiunge la convinzione che tale sistema sia conveniente per la comunità: dove, per convenienza, si intende iI miglior utilizzo delle risorse comuni, tenuto conto del livello di sicurezza accettabile (Cap. 2).1 Per fornire all'utente la sicurezza contro i contatti indiretti il distributore deve "garantire il neutro", deve prendere cioè idonei provvedimenti, nell'impianto e nell'esercizio, in modo che: ~ un guasto a terra in linea sulla bassa tensione non produca tensioni pericolose sulI' impianto di terra del neutro; un guasto a terra in cabina, o in stazione, sulla media-alta tensione non dia origine a tensioni pericolose sull'impianto di terra del neutro, par. Il.2; il conduttore di neutro non si interrompa; ~ il conduttore di neutro non venga scambiato con un conduttore di fase; - il carico non sia eccessivamente squilibrato. È un compito gravoso per il distributore, cui corrisponde il vantaggio per l'utente di non dover installare un impianto di terra e i dispositivi differenziali. L'utente deve però attuare i collegamenti equipotenziali e predisporre i conduttori di protezione. Il confronto tra i sistemi TI e TN per le reti pubbliche di distribuzione è stato nel passato lungamente discusso. Molti paesi adottano ancora oggi il sistema TN nelle reti pubbliche di distribuzione, ad esempio: Stati Uniti, Russia, Germania, Austmlia, Inghilterra, Sud Africa, Austria, Svizzera, Svezia. Precise ragioni storiche giustificano questa scelta, da parte di quanti si erano posti il problema della protezione contro i contatti indiretti prima dell'avvento dell'interruttore differenziale. Le uniche protezioni disponibili erano, infatti, quelle a massima corrente e per provocarne l'intervento la scelta del sistema TN era obbligata. Presentemente il problema è superato dal largo impiego dei dispositivi differenziali ad alta sensibilità negli edifici civili per la protezione complementare contro i contatti diretti (Cap. 13). Impianti di terra più che modesti sono sufficienti per soddisfare alle condizioni di sicurezza contro i contatti indiretti; vengono pertanto meno le ragioni che hanno fmora consigliato l'adozione del sistema TN nelle reti pubbliche di distribuzione in bassa tensione. Nel nostro Paese il sistema TN era in passato ammesso, anche per le reti pubbliche di distribuzione, purché si avesse l'accordo della società elettrocommerciale. NeI 1965, la norma tecnica impose il sistema TI: forse la nazionalizzazione delle società elettriche non fu estranea a questa decisione, peraltro già maturata negli anni precedenti a seguito di alcuni inconvenienti. Nei vecchi impianti, nei quali era stata praticata la messa al neutro secondo le norme in vigore prima del 1965, occorre procedere all'installazione di un impianto di terra e alla posa di un conduttore di protezione, che colleghi tutte le masse all'impianto di terra locale. Tale adeguamento dell'impianto alla normativa tecnica è necessario, non essendo più il distributore costretto dalle stesse norme ad adottare quegli accorgimenti e provvedimenti atti a "garantire il neutro". I Alla fin fine si tratta di una scelta politica. poiché sono da. superare gli interessi di parte, per imporre una soluzione conveniente alla comunità.

"'''''''''7;''''''' contro i contatti indiretti f1e èv-.:is::.:is::.:t=em::.-:ì T::N~:...... _~_ _ _ _~1_9....5.:_

Stante quanto sopra, si comprende come sia considerato sistema TI anche il sistema in cui l'impianto di terra del neutro e delle masse dell'utente non siano elettricamente indipendenti, par. 5.7. Infatti. anche in tal caso l'utente deve provvedere al coordinamento delle protezioni con la resistenza di terra, indipendentemente dal neutro che è da considerare conduttore attivo. È tuttavia cum del distributore non creare condizioni pericolose per l'utente a causa della vicinanza degli impianti di terra e fare in modo che la tensione assunta dal neutro (per un guasto sulla media tensione) sia compatibile con l'isolamento in bassa tensione (Cap. Il).

7.9 Confronto tra i sistemi TN e TT Dopo avere studiato il sistema TI e il sistema TN è utile un confronto tra i due sistemi. anche se non sempre è possibile scegliere. Come abbiamo appena visto, nei sistemi TN il guasto franco a terra costituisce un cortocircuito e la protezione contro i contatti indiretti è realizzata mediante i dispositivi di protezione contro le sovracorrenti, senza ricorrere agli interruttori differenziali. Ciò è positivo perché i fusibili e gli interruttori automatici sono più economici ed affidabi-

li dei dispositivi differenziali, ma: per i circuiti di distribuzione e per i circuiti terminali che alimentano solo apparecchi fissi, la curva di sicurezza non è rispettata; ~ per gli altri circuiti la curva di sicurezza è soddisfatta soltanto se il conduttore di protezione ha la stessa sezione del conduttore di fase; non è garantita la protezione contro i contatti indiretti in caso di guasto non franco. Durante il tempo che le protezioni impiegano ad interrompere l'alimentazione, le masse assumono nel sistema TN una tensione, imposta dal partitore Z/Zp' inferiore a quella che si ha nel sistema TI, dove dipende invece dal rapporto REIRN . Ciò è un vantaggio nel caso in cui i dispositivi di protezione non dovessero intervenire nel tempo previsto dalla curva di sicurezza. Nei sistemi TN il circuito di guasto è costituito dal conduttore di fase e di protezione; lungo il conduttore di protezione si ha una caduta di tensione che provoca differenze di potenziale tra masse e tra queste e le masse estranee. Nei sistemi TI, invece, tutte le masse collegate alI~ stesso impianto di terra assumono apprezzabilmente lo stesso potenziale. Nel sistema TI si ha quindi una maggiore equipotenzialità che nei sistemi TN all'interno degli edifici (anche se la tensione totale di terra è maggiore). L'andata in tensione del neutro nel sistema TI non pone problemi di sicurezza, purché non ecceda illiveIlo d'isolamento verso terra degli apparecchi. Nel sistema TN, invece, le tensioni assunte dal conduttore di neutro sono trasferite sulle masse; il pericolo è maggiore nelle reti di distribuzione pubblica. Il collegamento equipotenziale principale attenua il pericolo, ma solo all'interno dell'edificio. Negli edifici residenziali i contatti diretti sono circa il doppio dei contatti indiretti e l'interruttore differenziale ad alta sensibilità è quanto mai opportuno, anche nei sistemi TN, dopodiché si assottigliano le differenze tra i sistemi TN e TI.

Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi IT

8

PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI NEI SISTEMI IT

8.1 Caratteristiche del sistema IT In un sistema elettrico isolato da terra, un guasto a terra determina il passaggio di una corrente prevalentemente capacitiva, Fig. 8.1. La capacità del sistema elettrico è dovuta soprattutto ai cavi, in misura minore ai motori e agli altri componenti dell'impianto. In un impianto utilìzzatore, sistema trifase 230/400 V, la corrente capacitiva può essere grossomodo stimata intorno a 0,4 A ogni 1000 kVA di potenza installata. La corrente di guasto franco a terra Id è costituita dalla corrente capacitiva e dalla corrente di dispersione resistiva. Ciò nonostante il valore della corrente Id rimane molto modesto: dell'ordine dell'ampere, eccezionalmente supera la decina di ampere negli impianti più estesi. Un valore così modesto della corrente di guasto a terra perrnette di soddisfare facilmente la condizione:

Se tale condizione è soddisfatta, un guasto a terra non costituisce un pericolo per le persone e, per quanto riguarda i contatti indiretti, può permanere per un tempo indefinito. Il non dover interrompere il circuito al primo guasto a terra è la caratteristica peculiare, e insieme il maggior vantaggio, dei sistemi IT. Questa caratteristica è preziosa, a volte indispensabile, in particolari impianti utilizzatori, dove l'interruzione del servizio può causare notevoli danni economici o compromettere addirittura la sicurezza delle persone (Cap. 24). Il modesto valore della corrente lìmita inoltre le conseguenze di un guasto a terra: in particolare non si formano archi, pericolosi per le persone e per le cose. Il sistema IT non presenta alcun vantaggio nei confronti dei contatti diretti, come vicever-

198 .....

di

_---~-

elettrica

L3

c

C

C

=;= = =:=

~ Nei sistenù elettrici a neutro isolato un guasto franco a terra dà luogo ad una piccola corrente di guasto di natura prevalentemente capacitiva.

sa alcuni fennamente credono. La corrente che fluisce attraverso il corpo umano in caso di contatto diretto, anche se modesta è pur sempre molto pericolosa, tanto più quanto più esteso è l'impianto l Le condizioni peggiorano notevolmente in presenza di un primo gua~ sto a terra, perché la persona sarebbe sottoposta alla tensione concatenata, anziché stellata come accade nei sistemi TI o TN, Fig. 8.7 d). Le sovratensioni e il doppio guasto a terra costituiscono i principali inconvenienti del sistema IT.

Le sovratensioni, come è noto, costituiscono uno degli svantaggi tipici dei sistemi a neutro isolato: possono essere causate da un guasto franco a terra, da un contatto con sistemi a tensione superiore, da archi intennittenti a terra, e da fenomeni di risonanza, par. 8.3. Se il primo guasto a terra non è eliminato in un tempo ragionevolmente breve, può verificarsi un secondo guasto a terra su un'altra fase di un altro circuito. Si stabilisce così una corrente dì doppio guasto a terra, alimentata dalla tensione concatenata, che può determinare l'Ìntervento dei dispositivi di protezione a massima corrente su entrambi i circuiti, Fig. 8.2. Viene così meno il vantaggio della continuità di esercizio del sistema IT, anzi si aggrava il disservizio rispetto a un sistema TI o TN dove le protezioni selettive aprono il solo circuito guasto. Inoltre, al verificarsi del secondo guasto a terra la protezione contro i contatti indiretti e contro le sovracorrenti diviene alquanto problematica, par. 8.2. I Se il circuito uliJilzatore non fosse esreso, ma costituito dì pochi apparecchi utililzatori. il contatto non sarebbe pericoloso. ma si ricadrebbe in tal caso nella misura di protezione "per separazione elettrica". par. 9.3.

Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi IT - - - - _ ....

199 .....

_~_

L1 L2

L3

Fig.8.2 AI pemlanere di un primo guasto a terra il sistema non è più un sistema IT. Un successivo gua~ sto a terra può determinare l'intervento dei dispositivi di protezione, anziché su uno. su due cIrcuItI; SI compromette così la continuità del servizio che si voleva viceversa consegulfe con Il sIstema fL

Lo stesso dicasi per la protezione della conduttura contro la sovracorrente dovuta al dop~ pio guasto a terra, di valore non noto, par. 22.4.2 1 È pertanto necessario prevedere un sistema di controllo continuo dell'isolamento verso terra, in modo da pennettere una rapida individuazione ed eliminazione del pnmo guasto a terra.2 n dispositivo di controllo dell'isolamento più noto e più semplice è costituito da tr~ lam~ pade ad incandescenza inserite tra le fasi e terra, Fig. 8.3 a). L'intensità lummosa dI ogm lampada dipende dal valore della tensione verso terra della fase da cui è alimentata e fornisce quindi una valutazione grossolana del livello d'isolamento di quella fase. In partico~ lare, in caso di guasto franco a terra su una fase la relativa lampada si spegne, mentre le altre due, alimentate dalla tensione concatenata, divengono più luminose. Lo schema di un dispositivo di controllo dell'isolamento più elaborato è indicato in Fig. 8.3 b). Il milliamperometro indica la risultante delle correnti, dovute al generatore G, che si richiudono tramite le impedenze d'isolamento verso terra delle tre fasi; il milliamperoI Il sistema IT è anche chiamato a neutro "impedente", per via dell'impedenza tra neutro e terra; giocando con le parole. si potrebbe dire che al pennanere del pomo guasto diventa a neutro ':imp,;"dente"!. ," 1: Nelr alimentaz.ione di emergenza gestita come sistema IT, che mtervlene lfi caso dI mancanza dell ahmentaz~o­ ne ordinaria, è poco probabile che intervengano due guasti nel breve intervallo di tempo in cui il sistema deve funzIOnare e sembra ragionevole fare a meno del dispositivo di controllo dell'isolamento.

200

Fondamenti di sicurezza elettrica

a)

b)

1 Fig, 8.3 - Dispositivi di controllo dell'isolamento. a) Sistema delle tre lampade: il decadimento del!' isolamento verso terra di una fase si traduce in unO!diminuzione dell'intensità luminosa della lampada alimentata da quella fase e in un aumento dell'intensità luminosa delle altre due lampade. b) Sistema a iniezione di corrente: il milliamperometro misura la risultante delle correnti, dovute al generatore G, che si richiudono tntmite le resistenze d'isolamento verso terra delle tre fasi (generatore in c,c,), o tramite le resistenze e le capacità (generatore in c.a,).

metro può essere tarato direttamente in kilohm. Se il generatore ha una frequenza diversa da 50 Hz, un rivelatore a pinza portatile, sensibile a quella frequenza, può facilitare la ricerca del punto di guasto, Fig. 8.4. In definitiva, il sistema lT è da adottare quando sia essenziale la continuità del servizio. Non è tuttavia sufficiente a tal fine tenere il neutro isolato; occorre prevedere un dispositi-

201

V"V"'('Y"',._ _ _ _ _ _•

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i contatti indiretti nei sistemi IT

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1-t"Y" Z4AKN4'

z.'

Tra i due possibili guasti fase-fase e fase-neutro, va quindi esaminato il guasto fase-neutro, Per i circuiti fase-neutro va considerata l'impedenza Z's dell'anello di guasto neutro-conduttore di protezione, Fig. 8.6 e deve essere soddisfatta la condizione:

dove la corrente la ha il significato indicato precedentemente. In proposit~ è il caso di ricordare che nei sistemi IT è fortemente raccomandato di non distribuire Il neutro per le ragioni esposte al paragrafo 8.3.1 , È il caso infine ~i ev!denzi~e che quanto detto in 7,7 per il collegamento equipotenziale supplemen.tare SI puo apphcare anche ai sistemi IT con le masse connesse allo stesso impianto dI terra,

IT

205

8.3 Le sovratensioni 8.3.1 Guasto resistivo a terra Come è noto, la tensione verso terra delle fasi in un sistema IT dipende dalle impedenze d'isolamento verso terra delle tre fasi. Se queste impedenze sono uguali la tensione verso terra è pari alla tensione di fase; un guasto a terra altera l'equilibrio del sistema e insieme le tensioni delle fasi verso terra, La situazione è schematizzata in Fig. 8,7.t La tensione 2 U tra neutro e terra si ricava immediatamente dal teorema di Millman: EN

j 3mC + l R

In assenza di guasto (R = 00), neutro e terra coincidono (UEN

l + j 3mCR

O): la tensione delle tre fasi

verso terra è uguale alla tensione di fase, Fig. 8.7 c). In caso di guasto franco a terra (R = O) la fase guasta assume il potenziale della terra (UEN = U )' Le fasi sane assumono verso terra la tensione concatenata, Fig. 8,7 d).3 01 Se la resistenza R assume un valore qualsiasi il potenziale della terra E corrisponde, sul diagramma vettoriale, a un punto della semicir~onferenza che ha per diametro la tensione

Uo/ . Si può infatti scrivere:

da cui

j3mCR!lO/ il ol il lE =!lOl - - - - 1+j3 50 kQ), b) pavimento conduttore.

Nelle aree chiuse con mezzi speciali non è richiesta alcuna protezione, ma devono essere rispettate le distanze minime indicate in Fig. 13.10 per i passaggi con parti attive non protette, disposte solo su un lato e in Fig. 13.11 e Fig. 13.12 per i passaggi con parti attive da entrambi i lati. In quest'ultimo caso le distanze minime sono diverse, secondo che il passaggio sia di manutenzione o di servizio. Se il passaggio serve sia per la manutenzione sia per il servizio occorre rispettare le più elevate tra le distanze minime suindicate. Nelle. aree chiuse accessibili senza mezzi speciali occorre una protezione parziale contro i contatti diretti, mediante ostacoli o distanziamento. La Fig. 13.13 schematizza la protezione mediante ostacoli e le distanze minime richieste. Il distanziamento consiste nelI'evitare che parti a tensione di versa simultaneamente accessibili siano a portata di mano, Fig. 13.14. Tra le parti a tensione diversa deve essere incluso anche il pavimento non isolante (R < 50 k'~).

13.4 Protezione per limitazione della carica elettrica e della corrente La protezione contro i contatti diretti e indiretti è considerata assicurata quando una persona che venga in contatto con una parte collegata a parti attive tramite un'impedenza di protezione non possa essere attraversata da una corrente superiore a:

296

Fondamenti di sicurezza elettrica

l mA in c.a. oppure 3 mA in c.c. per le parti che devono essere toccate durante il servizio ordinario; - 3,5 mA in c.a. oppure lO mA in c.c. per altre parti. Inoltre la carica elettrica disponibile non deve essere superiore a 0,5 pC per le parti che devono essere toccate durante il servizio ordinario ed a 50 pC per le altre parti. l L'impedenza di protezione è un elemento, ad esempio resistore o condensatore, interposto tra la parte attiva e la persona, tale da limitare la corrente che fluisce attraverso la persona a valori non superiori ai limiti suindicati, e tanto affidabile da garantire nel tempo la protezione della persona. Trattasi di misura di protezione utilizzata nelle norme relative agli apparecchi, le quali stabiliscono i requisiti costruttivi e le prove che l'impedenza di protezione deve superare. L'impedenza di protezione è utilizzata ad esempio negli interruttori di prossimità, nelle antenne, negli apparecchi elettromedicali. La Fig. 13.15 mostra due modi di utilizzo dell'impedenza di protezione. In Fig. 13.15 a) l'impedenza è in serie al corpo umano e limita la corrente attraverso la persona entro i valori assegnati. In Fig. 13.15 b) due impedenze di protezione costituiscono un partitore che limita la tensione alla quale è sottoposta la persona e di conseguenza la corrente che l'attraversa.

z

a)

b)

Fig. 13.15 - Impedenza di protezione: a) serie, b) parallelo.

l lluniti suindlcati sono provvisori: valori superiori possono essere ammessi per fini funzionali, ad esempio per i recmti elettrici.

Protezione contro i contatti diretti

297

13.5 Norme particolari I criteri generali di protezione indicati nel paragrafi precedenti non si applicano ad alcuni casi, per i quali vigono norme particolari. Si citano a titolo di esempio le linee elettriche aeree esterne e le linee di contatto per trazione, la cui protezione consiste nell'allontanamento, ma con distanze maggiori di quelle relative alle parti a portata di mano. A volte non è PQssibile isolare le parti attive per ragioni funzionali, come ad esempio negli impianti elettrochimici; si isola, allora, l'operatore da terra in modo che non possa toccare contemporaneamente una parte attiva e il terreno, oppure una massa estranea.' È ancora il caso della saldatura ad arco, dove l'operatore deve essere una persona addestrata e deve indossare mezzi di protezione personale, specie se l'ambiente in cui opera può esaltare le conseguenze di un contatto diretto, par. 16.9.

l Per maggiori particolari vedasi IEEE Std 463 "Standard for electrical safety practLces in electrolytic celi line working zones".

Interruttori differenziali e

14

contro i contatti dire~tt:I_'", ,,~,~ ___~ ____,,2::,-9::....9,,-

INTERRUTTORI DIFFERENZIALI E PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI DIRETTI

14.1 Premessa Le misure di protezione contro i contatti diretti, indicate al capitolo precedente, tendono ad evitare il contatto diretto (protezione passiva). Se tuttavia avviene un contatto diretto, per imprudenza dell'utente o perché viene meno la protezione passiva, la corrente che attraversa il corpo umano non è di,certo sufficiente per provocare l'intervento dei dispositivi di protezione a massima corrente. L'unico dispositivo di protezione che può intervenire, in casi del genere, è l'interruttore differenziale. Vengono a tal fine denominati ad alta sensibilità gli interruttori differenziali con corrente nominale differenziale d'intervento I dn non superiore a 30 mA. Questo valore di corrente non corrisponde a quello che il corpo umano può sopportare per un tempo indefinito, ma rappresenta un compromesso tra esigenze di protezione delle persone e di servizio dell' impianto. L'alta e bassa sensibilità sono dizioni comunemente utilizzate, ma che non trovano un riscontro nella normativa nazionale e internazionale. Purtroppo il termine interruttori differenziali ad alta sensibilità è stato utilizzato nella legge 46/90; il successivo decreto di attuazione DPR 447/91 ha precisato che, ai fini dell'applicazione della legge 46/90, deve intendersi una soglia d'intervento fino a l A. Il che ha creato non poca confusione.' In questo capitolo ci si propone di esaminare i limiti, intrinseci e circuitali, dell'interruttore differenziale ad alta sensibilità, cioè Idn!> 30 mA, nella protezione contro i contatti diretti. I Secondo l'art, 7, comma 2, della legge 46190 "gli impianti elettrici devono essere dotati di messa a terra e di interruttori differenziali ad alta sensibilità o di altri sistemi di protezione equivalenti". L'art. 5, comma 6, del DPR 447i91 ha precisato che per sistemi di protezione equivalenti si intende "ogni sistema previsto dalle nonne CEI contro i contatti indìretti", In conclusione, la mesSà a terra e !'interruttore differenziale ad alta sensibilità non sono obbligatori se si utilizzano altri modi di prOiezione in conformità alle norme CEL

300

Fondamenti di sicurezza elettrica

14.2 Confronto tra la protezione contro i contatti diretti e indiretti In un contatto con la parte attiva di un sistema elettrico a tensione nominale Uo verso terra, la persona è attraversata, nel percorso mani-piedi, da una corrente:

dove: R B è la resistenza del corpo umano, REB è la resistenza della persona verso terra, essendo trascurabili l'impedenza della linea e la resistenza di messa a terra del neutro rispetto alla resistenza RB + REB " La corrente I determina l'apertura dell' interruttore differenziale, installato a monte del punto di contatto, entro il tempo corrispondente sulla caratteristica di intervento. È appena il caso di osservare che l'interruttore differenziale non limita il valore della corrente, ma solo il tempo per cui tale corrente permane. Per proteggere la persona, l'interruttore differenziale deve aprire il circuito, per ogni valore di corrente, in un tempo compatibile con la protezione del corpo umano. Sarebbe in proposito logico riferirsi alla curva b di Fig. 3.1O al di sotto della quale non si hanno effetti patofisiologici. Ma va ricordato che nella protezione contro i contatti indiretti è stata assunta come curva di sicurezza corrente-tempo non la curva b ma la curva tratteggiata di Fig. 5.10, intermedia tra b e c J' In Fig. 14.1 la caratteristica d'intervento di un interruttore differenziale da 30 mA è messa a confronto con la curva di sicurezza corrente-tempo, assunta ai fini della protezione contro i contatti indiretti. Partendo da questa curva corrente-tempo è stata costruita la curva di sicurezza tensione-tempo, assumendo condizioni convenzionali per il corpo umano (valori di RB e di REB , tipo di percorso, ecc.), par. 5.3. Un sistema di protezione contro i contatti indiretti è tale che una persona, nelle condizioni convenzionali suddette, è attraversata da una corrente per un tempo che non eccede quello corTispondente alla curva di sicurezza corrente-tempo, Fig. 14.1. In caso di contatto diretto, l'interruttore differenziale da 30 mA svolge una funzione analoga: la persona è attraversata da un determinato valore di corrente solo per il tempo corrispondente sulla caratteristica d'intervento dell'interruttore differenziale. Dal confronto tra la curva di sicurezza corrente-tempo e la caratteristica d'intervento dell'ìnterruttore differenziale da 30 mA emerge che l'interruttore differenziale nel proteggere la persona contro il contatto diretto, a parità di corrente attraverso la persona, apre il circuito in un tempo inferiore a quello ammesso ai fini della protezione contro i contatti indiretti, nelle condizioni convenzionali stabilite. Nei contatti indiretti, però, si ha un vantaggio: se la persona non è in contatto con la massa nel momento in cui si verifica il guasto. la corrente si chiude a terra tramite il conduttore

~__ ~~__~.."~~ _____ ~___ Interruttori differenziali e nrr,I",'jnn," contro i contatti dire~~tt~,-i _.._____ ., __

301

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10000

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2000

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500

I (mA)

Fig. 14.1 Confronto tra la curva di sicurezza corrente-tempo (linea tratteggiata) utilizzata per costruire la curva di sicurezza tensione-tempo ai fini della protezione contro i contatti indiretti e la caratteristica d'intervento di un interruttore differenziale Id. 30 mA (linea tratto-punto).

di protezione e determina ugualmente l'intervento dell'interruttore differenziale, senza che la persona sia percorsa da alcuna corrente; il che non può avvenire nel contatto diretto, nel quale l'interruttore differenziale è azionato dalla stessa corrente che fluisce attraverso la persona, par. 14.4.

302

Fondamenti di sicurezza elettrica

14.3 Limiti protettivi in particolari condizioni circuitali In particolari situazioni circuitali, la protezione offerta dall'interruttore differenziale contro i contatti diretti può essere parzialmente, o completamente, compromessa. a) Contatto bipolare Il caso più noto, anche se poco probabile, è quello di contatto tra due 'parti attive del circuito, Se la persona è isolata da terra certamente l'interruttore differenziale non interviene; se la persona non è isolata da terra l'interruttore differenziale può anchc intervenire.! In Fig, 14.2 la persona è in contatto con la fase, il neutro e il terreno, Con R è indicata la resistenza di ciascuno degli arti superiori e inferiori deI corpo umano, come da Fig, 3.27; l'impedenza di linea e la resistenza RN sono trascurabili rispetto a R. Se anche la resistenza R E8 della persona verso terra è trascurabile, i valori delle correnti l] , 12 e I.~ che interessano le varie parti del corpo umano valgono: Il = 3Uo/4R, 12 Uo /4R,13 Uo /2R. L'interruttore differenziale "sente" la corrente 13 la quale è minore della corrente Il che pure attraversa la persona, L'interruttore differenziale protegge pertanto solo parzialmente e occasionalmente la persona, Se il contatto non è perfettamente simultaneo, ma avviene prima con la fase, l'interruttore differenziale può intervenire, purché la corrente verso terra sia maggiore di ldn e ìl contatto unipolare permanga per un tempo superiore al tempo minimo di non funzionamento dell'interruttore differenziale, paL 6.4.3. Un caso particolare di contatto bipolare in un sistema TI è indicato in Fig. 14.3. Il conduttore di neutro presenta un guasto a terra a valle deIl' interruttore differenziale; tale guasto può permanere per un tempo indefinito se il neutro è a potenziale prossimo allo zero. In questa situazione il contatto simultaneo di una persona tra una fase e una massa è ricondotto ad un contatto bipolare, sicché l'interruttore differenziale non interviene. Se tuttavia il sistema di distribuzione trifase non è equilibrato il conduttore di neutro assume il potenziale dovuto alla corrente di squilibrio che percorre il conduttore stesso. L'intervento dell'interruttore differenziale dipende allora dal valore della tensione assunta dal neutro e dalla resistenza di terra delle masse. Se, ad esempio, la tensione del neutro è almeno di 3 Vela RE S 100 Q l'interruttore differenziale da 30 mA interviene per guasto a terra del neutro, evitando la situazione di pericolo prospettata. Questa può essere una ragione per ridurre la resistenza RE a valori inferiori al limite di 1666 Q corrispondente all'interruttore differenziale da 30 mA (tab. 6.B).

l Contatti bipolari rappresentano il 3% -;- 7% dei contalti diretti; nei lavori elettrici raggiungono il 15% (TuttoNonnel suppl. 7-8/88).

...

-~~~--

Interruttori differenziali e

303

contro i contatti diretti

~~-----~--

b)

a)

Fig. 14.2 - a) Contatto bipolare fase-neutro in un sistema elettrico con neutro a terra. b) Circuito elettrico equivalente: R è la resistenza di un arto; l'impedenza della linea e la resistenza RN sono trascurabili nspetto a R: si suppone che anche la resistenza REB della persona verso terra sia trascurabile rispetto a R,

,r"Y'YYL-~~--------------------------L1

!--f'r-v-.."V'>.---------------

L2

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L3 N

Fig. 143 Il pennanere di un guasto a terra sul neutro può compromettere la protez.ione di una persona in contallo con la parte attiva e la massa.

304 -~~

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...

Fondamenti di sicurezza elettrica .. ...

~~

_-_

b) Correnti di dispersione Le correnti di dispersione possono diminuire l'azione protettiva dell'interruttore differenziale ad alta sensibilità. Si consideri ad esempio il sistema trifase di Fig. 14.4. Le correnti dì dispersione su due fasi ammontano a 20 mA; !'interruttore differenziale, sensibile alla loro somma vettoriale pari ancora a 20 mA, non interviene. In queste condizioni la persona che tocca la terza fase e deriva a terra una corrente di 30 mA non provoca l'intervento dell'interruttore differenziale, Fig. 14.5. L'interruttore infatti segnala sqlo una risultante di 10 mA verso terra e quindi non apre il circuito. AI limite, per correnti di dispersione di poco inferiori a 30 mA, il soggetto può essere percorso da una corrente prossima a 60 mA, senza che l'interruttore differenziale trifase ad alta sensibilità intervenga.' La situazione prospettata è volutamente singolare e poco probabile. Se ne può comunque trarre una conclusione più generale: la composizione vettoriale delle correnti di dispersione sulle varie fasi può alterare la funzione protettiva dell'interruttore differenziale nei confronti dei contatti diretti, poiché la corrente che attraversa la persona è solo una delle correnti che concorrono a formare la risultante alla quale l'interruttore differenziale è sensibile. Questo problema non si pone nella protezione contro i contatti indiretti, perché in tal caso la tensione di contatto dipende proprio dalla risùltante vettori aie delle correnti verso terra. c)

Cortocircuito dell'avvolgimento di neutro

Se si cortocircuita uno degli avvolgimenti del rivelatore differenziale si può ridurre la sensibilità dell'interruttore differenziale in modo inammissibile. In Fig. 14.6 a), ìI flusso prodotto dalla corrente che attraversa la persona, a seguito di un contatto diretto, è ridotto dal flusso generato dalla corrente indotta nell'avvolgimento in corto circuito che, per la legge di Lenz, si oppone alla causa che l'ha generato. Quanto sopra è applicabile all'avvolgimento del conduttore di neutro, che potrebbe essere cortocircuitato da due punti a terra: uno a monte e l'altro a valle dell'interruttore differenziale. La situazione è schematizzata in Fig. 14.6 b) e c) per i sistemi TN e TI. Nel sistema 1N il neutro è connesso a terra localmente, a monte dell'interruttore differenziale; un guasto a terra a valle cortocircuita l'avvolgimento di neutro, Fig. 14.6 b). In un sistema 11 occorre un doppio guasto a terra, uno a monte e l'altro a valle dell'interruttore differenziale, per cortocircuitare l'avvolgimento del conduttore di neutro. 2 Un guasto a terra del conduttore di neutro, a valle dell'interruttore differenziale, non ne determina l'intervento (se il neutro non è in tensione) e la persona che fosse soggetta a un contatto diretto non sarebbe protetta, Fig. 14.6 b) e c). I Quanto sopra neU'ipotesi di sistema trifase simmetrico e correnti di dispersione ohnùcne. Volendo tener conto delle piccole correnti cal?acitive verso terra i risultati non cambiano di molto, a meno che i circuiti delle tre fasi abbiano sviluppi notevolmente differenti e quindi correnti capacitive di diverso ordine di grandezza. 2 La messa a terra del centro stella del trasformatore e un guasto a terra a valle dell'interruttore differenziale non rappresentano in genere un cortocircuito, a causa delle resistenze di terra RE e RN che solo occasionalmente assumono valori così bassi da desensibilizzare l'interruttore differenziale.

305

Interruttori differenziali e nm,tA7'jonA contro i contatti diretti

L1

)(

'I )(1

....."

L2 L3

Id

cJ[' ..........

.....

1 1 /1

12

l/d

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Fig. 14.4 - Interruttore differenziale trifase ad alta sensibilità. La risultante delle correnti di dispersione sulle singole fasi è inferiore alla corrente /dn: l'interruttore differenziale non interviene.

x

L1 I

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L2 ~--.--~-

L3

Fig. 14.5 - Interruttore differenziale trifasc ad alta sensibilità. Le correnti di dispersione sulle singole fasi, sommandosi alla corrente che attraversa il corpo umano, diuùnuÌscono l'efficacia della protezione differenziale nei confronti dei contatti diretti.

Nei casi suddetti si è supposto che il circuito a valle dell'interruttore differenziale fosse aperto: la corrente di funzionamento ordinario del circuito, se di valore sufficiente, potrebbe infatti provocare l'intervento dell'interruttore differenziale, in presenza del cortocircuito dell'avvolgimento del neutro, Fig. 14.6 d). Nel complesso la situazione di pericolo prospettata ha una piccola probabilità di verificarsi, specialmente nei sistemi TI.

~q§----_. ----

a)

Fondamenti di

"'--'

Sistema TN

b)

SistemaTI

c)

Fig. 14.6 a) - Il cortocircuito di un avvolgimento del rivelatore differenziale provoca la desensibilizzazione dell'interruttore differenziale. b) In un sistema TN l'avvolgimento del conduttore di neutro può essere cortocircuitato dalla connessione a terra a monte, e da un guasto a terra a valle, dell'interruttore differenziale. c) In un sistema TI l'avvolgimento del conduttore di neutro può essere cortocircuitato da guasti a terra a monte e a valle dell' interruttore differenziale. ti) La chiusura del circuito di utilizzazione, in presenza del cortocircuito dcII' avvolgimento, può provocare l'intervento dell'interruttore differenziale.

Interruttori dìfferenziali e ",,)1,,7io,n .. contro i contatti diretti

307

B

2

4

a)

b)

Fig. 14.7 Influenza delle componenti continue sull'interruttore differenziale: a) una corrente alternata verso terra, superiore a Id.' provoca una variazione di flusso ,ufficiente per

determinare l'intervento dell'interruttore differenZiale; b) una corrente unidirezionale verso terra provoca una variazione di flusso minore, che non è in genere sufficiente per produrre l'intervento dell'interruttore differenziale.

308

Fondamenti di

d) Componenti continue verso terra

Occorre, infine, considerare il comportamento dell' interruttore differenziale alle correnti che abbiano una componente continua, dovuta a circuiti raddrizzanti presenti nel circuito. Se la componente continua è presente in eguale misura sulle fasi, niente cambia nel rivelatore differenziale: le componenti continue producono un flusso risultante nullo che non altera la situazione preesistente. Se viceversa la componente continua percorre un solo conduttore, perché si chiude attraverso un guasto a terra, il flusso non è più nullo ma potrebbe non essere sufficiente a provocare l'intervento dell'interruttore differenziale. La Fig. 14.7 mostra la diversa variazione di flusso provocata da una corrente alternata e da una corrente a una semionda. In corrispondenza della corrente alternata l'induzione segue il ciclo di isteresi secondo il percorso 1-2-3-4-5 per ripartire dal punto 5/1 nel periodo successivo, Fig. 14.7 a). In una corrente pulsante unidirezionale viene a mancare la parte di ciclo 3-4-5 e l'induzione oscilla tra i valori 1-2-3, Fig. 14.7 b). Ne consegue una variazione di flusso ridotta che potrebbe essere insufficiente per deternlinare l'intervento dell'interruttore differenziale. Inoltre la presenza di una corrente unidirezionale verso terra altera la caratteristica d' intervento dell'interruttore differenziale anche nei confronti di correnti alternate, come mostra chiaramente la Fig. 14.8. Gli interruttori differenziali che funzionano solo in presenza di correnti alternate sono denominati di tipo AC. Gli interruttori differenziali che funzionano, entro determinati limiti, anche con correnti unidirezionali pulsanti, Fig. 14.9 a) sono denominati di tipo A e portano in targa il simbolo di Fig. 14.9 b). Gli interruttori differenziali di tipo AC non portano alcun simbolo in targa. Glì interruttori differenziali di tipo B intervengono, oltre che in corrente alternata e con correnti pulsanti, anche in presenza dì correnti di guasto unidirezionali del tipo indicato in Fig. 14.10 a) e portano in targa il simbolo di Fig. 14.10 b). In conclusione, la protezione contro i contatti diretti può essere compromessa nel caso di: - contatto diretto a valle di un elemento raddrizzante; contatto diretto mentre l'interruttore differenziale è attraversato da una corrente continua, a causa di un guasto a terra preesistente a valle di elementi raddrizzanti.!

14.4 Una misura di protezione addizionale È certo che nessun apparecchio, per quanto ben studiato, può garantire in modo assoluto la sicurezza delle persone e delle cose dai pericoli della corrente elettrica. Poiché un certo rischio deve essere in ogni caso accettato, c'è da domandarsi se !'interruttore differenziale I Ai fini della protezione contro i contatti indiretti le cOffip------_---1

Fig. 19J ~ Possibili schemi ai principio di un circuito di comando elementare. a) Le condizioni di sicu~ezza cOrrispondono alla posizione di aperto del contatto di sicurezza S, posto in parallelo alla bobina di comando: b) ~ condlzlo~1 dI sIcurezza cOn1spondono alla posizione di aperto del contatto di sicurezza S, posto III sene all~ ,,?bllla dI comando. c) Le condizioni di sicurezza cOn1spondono alla posizione di chIUSO del contatto dI sIcurezza S, posto III sene alla bobina di comando.

Circuiti di comando

421

quando le condizioni controllate dal contatto di sicurezza non sono soddisfatte: tre possibili schemi di principio sono indicati in Fig. 19.1. l° schema, Fig. 19.1 a): ii contatto di sicurezza S è in parallelo alla bobina T del contattore, - le condizioni di sicurezza corrispondono a contatto di sicurezza aperto. La bobina T è percorsa da corrente nel funzionamento normale e il relativo contatto t sul circuito di pote~za è chiuso; se vengono a mancare le condizioni di sicurezza si chiude il contatto S, la bobina T viene cortocircuitata e si apre il contatto t sul circuito principale. Questa soluzione presenta gli inconvenienti seguenti: un'interruzione del circuito su cui è inserito il contatto di sicurezza non si autorivela, ad esempio con il fermo della macchina, e la chiusura del contatto S non corrisponde più all'arresto del motore; se per un difetto il contatto di sicurezza non si chiude, il motore non si arresta. 2° schema, Fig. 19.1 b): - il contatto di sicurezza S è in serie alla bobina T del contattore, le condizioni di sicurezza corrispondono a contatto di sicurezza aperto. Nel funzionamento normale il contatto t è chiuso e la bobina del contattore non è percorsa da corrente (contattore chiuso in riposo); se vengono a mancare le condizioni sicurezza si chiude il contatto S, la bobina T viene alimentata e si apre il contatto t sul circuito principale. Gli inconvenienti di questa soluzione sono gli stessi indicati per la soluzione precedente di Fig. 19.1 a); per di più la chiusura del contatto S non corrisponde all'arresto del motore se viene a mancare l'alimentazione del circuito di comando. 30 schema, Fig. 19.1 c): il contatto di sicurezza S è in serie alla bobina T del contattore, le condizioni di sicurezza corrispondono a contatto di sicurezza chiuso. Nel funzionamento normale la bobina T è percorsa da corrente e il contatto t è chiuso; se vengono meno le condizioni di sicurezza, il contatto S si apre e così il contatto t sul circuito principale. In questo schema un'eventuale interruzione del circuito di comando si autori vela con il fermo del motore, se il contatto S non si chiude il motore non si avvia: questi due tipi di guasto pongono il sistema in condizioni di sicurezza. L'unico in conveniente corrisponde alla mancata apertura del contatto di sicurezza S; al che si può ovviare, vedasi paragrafo successivo, mentre non è altrettanto facile garantire la chiusura di un contatto. In conclusione, il terzo schema di Fig. 19.1 c) è quello che offre le migliori garanzie di sicurezza e se ne ricava la regola generale: i contatti di sicurezza devono essere postj in serie alla bobina di comando e le condizioni di sicurezza devono corrispondere a circuito di comando chiuso.

422

Fig. 19.2 - Nessun organo elastico deve essere frapposto tra l'attuatore, dove viene applicata la forza di azionamento, ed i contatti mobili.

La presenza di un organo elastico tra diminuisce l'affidabilità del dispositivo.

Fig. 19.3

r attuatore e i contatti mobili

19.3 Requisiti del contatto di sicurezza Il dispositivo (o ausiliario) di comando che svolge funzioni di sicurezza deve essere particolarmente affidabile in apertura e a tal fine non deve avere nessun organo elastico tra i contatti mobili e il punto dell'attuatore al quale viene applicata la forza di azionamento, come indicato in Fig. 19.2. In Fig. 19.3, viceversa, la molla interposta tra attuatore e contatti mobili costituisce un elemento poco affidabile. I contatti devono essere aperti dall'attuatore e chiusi da una molla, e non viceversa. Se ad esempio il contatto di sicurezza controlla un organo meccanico, deve essere lo stesso organo meccanico controllato a determinare l'apertura dei contatti, Fig. 19.4 a) e non un organo elastico, poiché la molla può incepparsi o non essere capace di aprire i contatti saldati, 19.4 b). Un contatto aperto dalla molla può essere tuttavia utile per controllare la presenza dell'organo controllato (la porta potrebbe essere ad esempio asportata), Fig. 19.4 c), L'accoppiamento tra organo meccanico controllato e contatto di sicurezza deve essere rigido, in modo che, se per una ragione qualsiasi i contatti non si aprono (inceppamento, saldatura dei contatti, ecc.) il movimento dell'organo controllato sia impedito. Viceversa, in Fig. 19.5 l'elasticità dei contatti non impedisce all'eccentrico, organo controllato, di completare la rotazione mentre il circuito di comando rimane chiuso.

Circuiti di coma_.cn..::dco:.~~~..._~~_.._ ~~_ ..... _____4.2 __ 3

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b)

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c)

Fig. 19.4 a) L'organo meccanico controllato apre i contatti. Se la porta è aperta, il contatto di sicurezza è certamente aperto. . . b) [ contatti sono aperti dalla molla. Quando la porta è aperta,. iI contatto dI,sIcurezza potrebbe restare chiuso, perché ad esempio la molla non riesce ad aprire i contattI nmash saldatI, , .. c) La combinazione dei due contatti precedenti migliora la sicurezza, polche permette dI venflcare la presenza dell'organo controllato.

424

Fondamenti dì

A volte, è possibile applicare i contatti mobili direttamente sull'organo controllato contatto a ponte asportabile - a tutto vantaggio della sicurezza. La rigidità dell'accop.piamento e la conservazione nel tempo delle posizioni reciproche, tra ~n organo meccanICO controllato e il contatto di sicurezza, sono dunque essenziali per la slcurezz~. Usura meccanica, sollecitazioni, vibrazioni, rotture, possono compromettere tale accoppiamento. Quando il venir meno della funzione controllata può provocare danno grave, occorre raddoppiare il contatto di sicurezza, come in Fig. 19.6 a). In Fig. 19.6 b) è

a}

b}

Fig. 19.5 - ~) L'organo controllato dall'eccentrico è nella posizione sicura ed il circuito di comando è chIUSO. b) L organo controllato dall' eccentrico è in posizione pericolosa, ma il circuito di comando rimane chIUSO per 1'lIlcollamenlo e l'elasticità dei contatti.

b}

Fig. 19.6 - a) Raddoppio del contatto di sicurezza. b) Raddoppio parziale del contatto di sicurezza.

Circuiti di comando

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425

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Fig. 19.7 - Circuito di comando alimentato direttamente dalla rete. Un guasto a terra non determina necessariamente l'intervento delle protezioni, mentre la corrente verso terra potrebbe essere sufficiente ad azionare, o a mantenere chiuso, il contatore, senza che le condizioni controllate dal contatto n. 2 siano soddisfatte.

raddoppiato solo il contatto elettrico e pennane il pericolo relativo a un guasto sulla parte meccanica. Il livello di sicurezza conseguito con il raddoppio degli elementi può essere ancora migliorato con un controllo del mancato funzionamento di uno di essi, par. 2.2. È spesso necessario combinare il circuito di comando in modo che la richiusura di un contatto di sicurezza non detennini automaticamente la richiusura del circuito di alimentazione e la rimessa in servizio del sistema; questa deve avvenire soltanto dopo l'intervento dell'operatore, il quale ha il compito di accertarsi che il sistema sia nuovamente sicuro (ripristino manuale).

19.4 Protezione contro il funzionamento intempestivo per guasti a terra Il circuito di comando deve essere tale che uno, o più, guasti a terra non possano determinare l'avviamento intempestivo della macchina. I In Fig. 19.7 il circuito di comando è alimentato direttamente dalla rete. Se un guasto a terra non detennina l'intervento delle protezioni, e la corrente verso terra è sufficiente ad azionare il contattore, la macchina sì mette in movimento senza che le condizioni di sicurezza controllate dal contatto n. 2 siano soddisfatte; analogamente l'apertura del contatto I Gli schemi riportati nelle figure de! presente paragrafo sono di principIO, a fini didattici. ( circuiti dì comando reali sono ovviamente più complessi.

426

Fondamenti

n. 2 non determina il fermo della macchina, se la corrente verso terra è sufficiente a mantenere nella posizione di chiuso il contattore. Per di più, se un primo guasto a terra sul circuito di comando non determina l'intervento delle protezioni, un secondo guasto a terra può cortocircuitare i contatti di sicurezza, annullandone completamente l'effetto, Fig. 19.8. Un sistema TT è normalmente protetto con dispositivi differenziali e il guasto a terra dovrebbe provocare l'apertura del circuito. In un sistema TN il guasto a valle della bobina non rappresenta un guasto franco a terra e i dispositivi di protezione a massima corrente possono impiegare un tempo indefinito ad aprire il circuito. In un sistema IT il guasto franco a terra non determina la circolazione di una corrente apprezzabile, se il resto del circuito è isolato, diversamente si ricade nel sistema TI o IN (Cap. 8). Per rendere il circuito di comando indipendente dal tipo di alimentazione e perché la sicurezza contro il funzionamento intempestivo non dipenda dall'efficacia del sistema generale di protezione contro i contatti indiretti, è buona norma alimentare il circuito di comando tramite un proprio trasformatore. Un polo del trasformatore va messo a terra, l'altro polo protetto contro le sovracorrenti: su quest'ultimo polo devono essere inseriti tutti i contatti di sicurezza, Fig. 19.9. In tal modo, qualsiasi guasto a terra nel tratto L-M corrisponde a un cortocircuito che detennina l'intervento del fusibile e provoca in ogni caso la caduta del contattore, poiché i due poli della bobina sono entrambi a terra. Un guasto a terra nel tratto N-O, solitamente denominato "comune delle bobine", non ha effetto; su questo lato del circuito di comando non devono essere peraltro inseriti contatti di sicurezza. Se così non fosse, si ricadrebbe negli inconvenienti che si volevano eliminare: in Fig. 19.10 il contatto di sicurezza, erroneamente inserito nel tratto N-O, è reso inoperante da un guasto a terra. o---

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Fig. 19.8 - Circuito di comando alimentato dalla rete. Un doppio guasto a terra può cortocircuitare uno o più contatti di sicurezza.

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Fig.19.9 Circuito di comando alimentato tramite un trasfoonatore: un polo del trasfoonat~re. d~ve essere messo a terra; sull'altro polo, protetto contro le sovracorrenti, vanno insenl! tuttI I contattI di sIcurezza.

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Fig. 19.10 - Un contatto di sicurezza inserito sul polo a terra viene cortocircuitato dal primo guasto a terra

È da sottolineare l'importanza del collegamento al polo di terra del trasformatore di tutte le masse che, in un modo o nell'altro, sono prossime o fanno parte del circuito di comando, indipendentemente dall'esigenza di protezione contro i contatti indiretti (ad es. anche

428

___ ~f1(jamenti di sicurezza elettrica

Fig .. 19.11 - Tutte le mass~ del circuito di comando devono essere collegate al polo a terra del trasformatore. un doppiO guasto puo mfattl cortocircuitare uno o più contatti di sicurezza.

Fig. 19.12 - Non è consigliabile collegare a terra il punto mediano del trasformatore. La bobina del contattore può runanere alimentata, tramite un guasto a terra, da metà tensione, con esclusione dei contatti di sicurezza. ~e a bassissima tensione di sicurezza). Un doppio guasto d'isolamento, verso una massa Isolata da terra, Fig. 19.11, renderebbe infatti inattivi i contatti di sicurezza. l Una disposizione circuitale molto diffusa è quella di Fig. 19.12: collegamento a terra del I È il caso di precisare che, ai fuù della protezione contro [' azionamento intempestivo. non necessariamente il !",lo del trasformatore deve essere collegato ad un punto a potenziale zero nel significato del segno grafico utilizzato' e suffiCiente che .sla connesso alle masse del circuito secondario. Poiché queste sono in genere collegate ad un impian: to d,~ ter:ra. al fiO! della protezIOne contro i contatti indiretti, le due esigenze finiscono per essere entrambe soddisfatte dal solito collegamento a terra".

comando

429

punto mediano del trasformatore e protezione a massima corrente sui due lati del circuito. n collegamento a terra del punto mediano ha lo scopo di dimezzare la tensione verso terra del circuito di comando, migliorando quindi la sicurezza delle persone nei riguardi della folgorazione. Si peggiora però la sicurezza del circuito di comando. Un guasto a terra su uno dei due lati del circuito può provocare l'intervento del fusibile su quel lato, ma la bobina del contattore resta alimentata da metà della tensione del trasformatore: il che può essere sufficiente per produrre l'aziOl,Jamento del contattore o per mantenerlo in posizione di chiuso. Questa disposizione non è quindi consigliabile; se è proprio necessario dimezzare la tensione verso terra occorre installare sul collegamento dì terra un relè che interrompa entrambi i poli del circuito di manovra al primo guasto a terra Fig. 19.13 a), o una protezione differenziale Fig. 19.13 b). Spesso il circuito di comando è alimentato in corrente continua tramite un ponte di Graetz. È bene in tal caso collegare a terra direttamente un polo del ponte, Fig. 19.14 a): diversamente la bobina del contattore potrebbe essere parzialmente alimentata tramite un

a)

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Fig. 19.13

Il CDllegamento a terra del punto mediano del trasformatore richiede l'installazione

di terra alo di un relè differenziale hl.

un relè

430

a)

b)

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Fig. 19.14 - a) Schema correlto. h) Schema non corretto. La bobina del contattore è parzialmente alimentala dal circuito raddrizzante tramite un guasto a terra; il contattore può cosi rimanere chiuso anche se il contatto di sicurezza è apeno.

guasto a terra senza che il contatto di sicurezza sia chiuso, Fig. 19.14 b). Se a monte del ponte è derivato anche un circuito di comando in alternata, la messa a terra di un polo del ponte non è più sufficiente. La bobina del contattore sull'alJernata può essere infatti parzialmente alimentata tramite un guasto a terra, Fig. 19.15, in modo del tutto analogo alla situazione già illustrata in Fig. 19 .14 b). Da segnalare che nei circuiti in alternata molto lunghi un contatto di sicurezz a aperto, lontano dal contattore, potrebbe essere shuntato dalla capacità tra i condutto ri e la corrente capacitiva essere sufficiente per mantenere chiuso il contattore. Occorre in tal caso limitare la lunghezza del circuito di comando in relazione al valore della capacità . È infine il caso dì osservare che con contatti di sicurezza bipolari non vi sarebbe alcun problema di funzionamento intempestivo del circuito. Due guasti a terra (A e B) potrebbero infatti cortocircuitare un polo, ma un successivo guasto a terra sull'altro polo (C) determinerebbe l'immediato arresto dell'impianto, Fig. 19.16. Gli ausiliari di comand o bipolari non sono però quasi mai adoperati, perché il loro impiego è poco pratico e troppo oneroso.

431

di comando

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I

L 1.- ____ __

Fi". 19.15 . La bobina del contattore sul circuito di comando in corrente al~mata è par~ial~ente alime~. ta~ dal circuito raddrizzante tramite un guasto a terra; il contattore può COSI rimanere ChIUSO, anche se ti contatto di sicurezza è apeno.

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. . I . sto a terra A-H può conocircu itare Fig. 19.16 Contatti di. sicurezza blpo an.. Un dOppiO gua ,. . di un polo, ma un successivo guasto a terra C suU'altro polo determine rebbe il fermo dellimpia

su nto.

432

Fn,,,j:>rn,,, nf,

di sicurezza

19.5 Tensione di alimentazione dei circuiti di comando Circa la tensione dì alimentazione dei circuiti di comando, è da sottoline are come non vi siano in genere ragioni sufficienti per richiedere una tensione ridotta. In condizioni ambientali ordinarie i circuiti di comando non presentano difatti un maggiore rischio di folgorazione per l'operatore rispetto ad altri apparecchi utilizzat ori con i quali egli è pure a diretto e frequente contatto. Se gli organi di comando sono su di una pulsantiera portatile è bene che questa sia di classe II; in luoghi a maggior rischio elettrico è giustificata la riduzi~ne della tensione di alimentazione, In tutti gli altri casi la tensione ridotta rende inutilmente più gravoso e meno affidabile l'esercizio del circuito di comando, con scarsi vantaggi per la sicurezza.

19.6 Il doppio contat tore Gli sforzi per rendere affidabile il circuito di comando possono essere vanificati se ìI contattore non esegue la manovra di apertura, ad esempio per saldatura dei contatti, par. 21.5; il che può essere particolarmente pericoloso. Quando ii danno probabile di una mancata apertura del circuito di potenza è troppo elevato, occorre diminuire la probabilità che l'evento sfavorevole si verifichi al fine di rendere accettabile il rischio, par. 2.1.2. Questo si consegue raddoppiando l'organo di manovra, in genere un contattore, o con un 'adeguata manutenzione preventiva.

19.7 Colori per pulsan ti di comando e indicatori luminosi Per mezzo del circuito di comando l'operatore colloquia con la macchin a: dà ordini tramite i pulsanti di comatltÙJ, riceve informazioni attraverso gli indicatori luilÙnos 1 i. Pulsanti di comando e indicatori luminosi sono di vari colori per facilitarn e l'individuazione. In altre parole il colore può trasmettere un 'informazione all'opera tore, Unificare il significato dei colori, cioè attribuire ad un colore sempre lo stesso significa to, facilita il compito dell'ope ratore nella comprensione dei messaggi che riceve e nell'emanazione degli ordini che impartisce (CEI 16-3), Il che rientra nel quadro più generale dell'ergonomia e degli accorgimenti intesi a ridurre l'area dell'errore umano. I colori più facilmente distinguibili sono: rosso, giallo, verde, blu, bianco (nero, grigio). Rosso

L'indicatore luminoso deve essere rosso quando la sua accensione segnala una situazione di emergenza o richiede l'intervento immediato dell' operatore per evitare un pericolo, ad esempio pressione o temperatura eccessive, blocco di un dispositivo di sicurezza, ecc. I È il caso dì ricordare che ì pulsanti di comando, e più in generale gli organi di comando, di macchine il cui avviamento intempestivo sia pericoloso devono eSSere protetti contro l'azionamento accidentale. Vedasi anche l'art. 292,Appe ndicen. 2.

Il pulsante di comando deve essere rosso e deve essere azio~ato in caso, di condizione pericolosa o di emergenza, ad esempio l'arresto di emergenza di una macchm a, ecc. Verde

L'indicatore luilÙnoso deve essere verde quando indica una condizio ne normale e sicura della macchina o dell'impianto, cioè quando dà via libera e autorizza l'operatore a procedere, Il pulsante di avviamento o di inserzione deve essere di preferenza verde (anche se sono permessi il nero, ìl bianco e il grigio). Giallo

L'indicatore luminoso deve essere giallo quando la sua accensione voglia attìrar~ l'attenzione dell'operatore su di un imminente cambiamento delle condizioni, ad esempio operative, o di stato della macchina, o su di un cambiamento già avvenuto che deve essere tenuto sotto controllo, perché anormale (anche se non immediatamente pericolo so). Analogamente il pulsante di comando deve essere gial~o qu~ndo. il s~o azio,namento so~­ prime condizioni anormali, evita cambiamenti non deSideratI o navvla un Ciclo automatico interrotto. Blu

L'indicatore luminoso deve essere blu quando indica la necessità di un'azion e obbligatoria da parte dell' operatore, ad es, inserimento di dati, ripristino di sistemi di sicur~zza, ecc, • Il pulsante di comando deve essere blu quando il suo azìona~ent~, d~ parte dell operatore, e necessario per il funzionamento dell'apparecdùatura, macchina, Impianto , ecc, ad es. reset o ripristino di una determinata condizione di funzionamento. Blu, bianco, nero, grigio

I colori blu, bianco, nero e grigio non hanno un significato convenzionale def~nito possono essere utilizzati per funzioni diverse da quelle sopra indicate. Ad ~semplO, P?SSO~O essere utilizzati per i pulsanti che, azionati più volte, provocano alternati vamente I aVVIamento e l'arresto, !'inserzione o la disinserzione, Può essere infatti pericolo so adottare per questi pulsanti i colori rosSO o verde. . , I pulsanti di comando che provocano un movimento finché premuti , e l ar;esto quand~ rilasciati (cosiddetti a uomo morto o uomo presente) non devono essere rOSSI, ma prefenbilmente neri. . Val la pena di segnalare infine che alcune sorgenti artificiali di luce, ad esempio lampade al sodio, alterando i colori possono introdurre errori di valutazione.

PARTE QUARTA PROTEZIONE CONTRO LE SOVRACORRENTI

437

I dispositivi di protezione contro le sovracorrenti svolgono un ruolo fondamentale per la sicurezza dell'impianto elettrico e delle persone. Una sovracorrente non interrotta tempestivamente può produrre la perdita di vite umane e danni materiali che a volte assumono proporzioni disastrose. Gli incendi di origine elettrica costituiscono una percentuale di oltre il 10% della totalità degli incendi negli edifici. Il che corrisponde nel nostro Paese ad alcune migliaia di incendi elettrici ogni anno, con decine di vittime. I prossimi quattro capitoli sono dedicati ai principi basilari della protezione contro le sovracorrentì delle condutture e dei motori.

Scelta dei rlkr"".ilivi di

20

nmto7i"n

delle condutture contro il sovraccarico

439

SCELTA DEI DISPOSITIVI DI PROTEZIONE DELLE CONDUTTURE CONTRO IL SOVRACCARICO

20.1 Portata di un cavo a) II conduttore

Un conduttore percorso da corrente assume una temperatura 0e maggiore della temperatura ambiente Da' A regime, tutto il calore sviluppato nel conduttore per effetto Joule (trascurando le perdite dielettriche nell'isolante) viene disperso nell'ambiente circostante. Il valore della temperatura 0e del conduttore si ricava dal bilancio termico a regime che in modo semplificato può essere espresso nella forma:

Pl

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dove: p è la resistività del conduttore, r è il raggio della sezione del conduttore, è la lunghezza del conduttore, h è il coefficiente dì conducibilità termica tra conduttore e ambiente, l è l'intensità di corrente. Da cui:

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Fig, 20.1 - Durata di vita del cloruro di polivinile (PVC) e dell'elilenpropilene (EPR) in funzione della temperalura.

La te,mpera~ura 0t del conduttore deve essere compatibile con il tipo di materiale isolante che rIveste Il conduttore stesso.

b) L'isolante I materiali isolanti, utilizzati in genere in bassa tensione, subiscono un decadimento nel tempo dovuto sop~attutto all'ossidazione, tanto più intenso quanto maggiore è la temperat~ra. Per dur~ta di vita d~ll'isolante ad una certa temperatura si intende il tempo per cui I Isolante.puo sopportare m modo continuo tale temperatura, prima che le sue caratteristiche elet~l~he, ~ s~prattutto meccaniche, decadano in modo inaccettabile. I È ovvio che la dura.ta di vita dlmmuisce all'aumentare della temperatura. In Fig. 20.1 sono indicate le durate di vita del polivinilcloruro (PVC) e dell . '1' a~~~ I enpropl emca (EPR) in funzione delIa temperatura (curva di vita)_ l Un parametro indicativo dello stato d' I t d' . I . . . "morto" quando il carico di rottura scende sonI sa lla)e I un filsO ante e Il Canea di rottura, L'isolante è considerato . o un v ore pre Issato ad es I K/mm 2 11 . " . emperature ,, 63 A

(2)

120 s per /n > 32A

100

(3)

x In

90 s per /n > 32 A

Fig. 20.7 - Caratteristica d'intervento di un interruttore automatico di tipo B.

l'intervento dell'interruttore, secondo tempi tanto più brevi quanto più grande è la corrente (caratteristica a tempo inverso). Per correnti di elevato valore, lo sganciatore magnetico provoca l'apertura istantanea dell'interruttore, cioè senza ritardo intenzionale. Le norme non stabiliscono la forma che deve avere la caratteristica d'intervento, ma solo alcune porte entro cui deve essere contenuta. In relazione alla posizione delle porte si distinguono gli interruttori per impianti domestici e similari di tipo B, C e D, Fig. 20.7, Fig. 20.8 e Fig. 20.9.

___Scel __ta_dei dispositivi di protezione delle condutture contro il ~---~~

S()-"!acc,,rico_~_~ 45~

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Caratteristica TIPO C t (s) 10000

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/n,= l,131 n

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120 s per /n > 32A

100 (3)

30 s per /n > 32 A

Fig. 20.8 _ Caratteristica d'intervento di un interruttore automatico di tipo C.

Una di queste porte è delimitata dalla corrente convenzionale di non intervento (l''f) e dalla corrente convenzionale di intervento (lf)" lA corrente convenzionale di non intervento In! è quel valore specitìcato di corrente che non provoca, in condizioni determinate, l'intervento dell'interruttore per un intervallo di tempo convenzionale. l Nell'ultima edizione deUa nonna CEI 23-3/ l (2004) le correnti convenzionali di intervento e di non intervento sono diventate l, e I", (I = tripping). Si è qui preferito mantenere i simboli Ife ["[per coerenza con ì fusibili e in linea

con la norma impianti.

Fondamenti di sicurezza elettrica

- - - -- - -

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Caratteristica TIPO O t (s)A

10000

1

*-1; por1a

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7200 s per In > 63A

(2)

120 s per In > 32A

(3)

8 s per 'n> 32 A

Fig. 20.9 - Caratteristica d'intervento di un interruttore automatico di tipo D.

La corrente convenzionale dì intervento l è quel valore spe 'fi' t d' . d'" . f CI lca o l corrente che provo ca, In con IZIom determinate, l'intervento dell" t . In erruttore entro un Intervallo di tempo . I convenZIOna e.

. d l Nella tabella 20.E sono indicati i valori delle correnti l e l ' f nf f In UnZIOne e la corrente . l l' . . . nomma e per g I mterrutton nspondenti alla nonna CE! 23-3/1 d II . . l' . . e e a corrente di regolaZIone per g I mterrutton regolabili rispondenti alla nonna CEI 17-5.

455

_'~ ..~_ ..... ___..~S~c~ell1lt~a..cd~e!..'i~~~~ll.tdli.iE~'())\f"!~·JI1I~~dl(le'~l1e~..'-'f uso generale (tipo gO); per ì fusibili per uso combinato (tipo par. 215. Le norme non distinguono più, come in passato, i fusibili in lenti e rapidi. 2 Ci

aMi vedasi il

456

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Fig. 20.10 - Esempio dì caratteristica dì intervento di un fusibile (tempi di prearco).

Si definisce co~renle d'impiego In del circuito, la corrente da prendere in considerazione per la scelta del co~ponenti del circuito. Il valore di questa corrente dipende ovviamente dalla pote~z~ de~h a~parecchi utilizzatori, dal numero e dalla corrente nominale delle ~rese .che ti CIrcUIto alimenta. Poiché non tutti gli apparecchi e non tutte le prese sono utihzz~tl contemporaneamente, né sono sempre utilizzati alla piena potenza per ogni tipo di ambIente vengono assunti fattori di contemporaneità e di utilizzo che, applicati alla poten-

Scelta dei dispositivi di protezione delle condutture contro il sovraccarico

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457

.

za totale installata, permettono di determinare la corrente d'impiego per la quale il circuito va dimensionato. I Individuata la corrente di impiego l B si adotta un cavo di portata Iz uguale o maggiore alla corrente d'impiego I B • Come già detto, per sovracorrente si intende ogni corrente superiore alla portata del cavo. Le sovracorrenti possono essere causate da un sovraccarico o da un cortocircuito. La corrente di sovraccarico è una corrente che si stabilisce in un circuito elettricamente sano. È il caso di un motore a rotore bloccato, dell'utilizzazione di un circuito al di là del coefficiente di contemporaneità, dell'utente sprovveduto che inserisca sulla stessa presa tanti apparecchi da superare la portata del cavo, ecc. La corrente di cortocircuito (franco) è una sovracorrente prodotta da un guasto di impedenza trascurabile tra le due parti del circuito, che presentano una differenza di potenziale nel servizio ordinario, ad esempio tra due conduttori di fase. In genere le correnti di sovraccarico sono di valore modesto, mentre quelle di cortocircuito sono molto più elevate. Questa è una constatazione che non può valere come definizione. Anche se è accettabile riferirsi implicitamente a sovracorrenti di piccolo valore quando si parla di sovraccarico e di sovracorrenti elevate quando si tratta di cortocircuito, la differenza tra sovraccarico e cortocircuito resta pur sempre nell'origine e non nel valore della sovracorrente.

20.6 Requisiti del dispositivo di protezione contro ii sovraccarico 20.6.1 Corrente nominale Se I è la corrente d'impiego del circuito, cioè la corrente che nel servizio ordinario perB corre il cavo prescelto dì portata Iz e se In è la corrente nO!lÙnale, o di regolazione, del dispositivo di protezione contro sovraccarico, c'è da chiedersi quali siano i vincoli fra questi tre valori di corrente. Certamente il cavo dovrà avere una portata maggiore o, tutt'al più eguale, alla corrente d'impiego del circuito, dovrà cioè essere: Iz 2: l B Il dispositivo di protezione contro il sovraccarico deve essere adatto a portare con continuità la corrente di impiego [B che normalmente fluisce nel circuito, senza dar luogo a interventi intempestivi. La corrente nominale del dispositivo di protezione In deve essere perciò uguale o superiore al1a corrente d'impiego del circuito:

l Sovente la corrente non ha un valore costante nel tempo. bensi variabile in dipendenza di predeterminatì cicli di manovre, ad esempio di una macchina utensile. o di ripetuti avviamenti di motori. Si considera in questo caso quale corrente di impiego la corrente che, in regime pennanente, produrrebbe gli stessi effetti termici.

Per definire la posizione reciproca delle tre correnti IB , In e Iz basta osservare che il dispositivo di protezione contro il sovraccarico non dovrebbe consentire il pennanere di correnti superiori alla portata del cavo Iz' Dovrà essere quindi in ogni caso verificata la condizione:

In definitiva dovrà essere: (5)

La condizione (5) sarebbe sufficiente a individuare la corrente nominale del dispositivo di protezione, se questo intervenisse per correnti di poco superiori alla propria corrente nominale In' Di fatto il dispositivo di protezione interviene, in modo certo, solo per correnti uguali o superiori alla corrente convenzionale di intervento If' Il dispositivo dì protezione si comporta nel modo indicato al paragrafo precedente e riassunto in Fig. 20.11.

Il dispositivo sicuramente non interviene

Fig. 20.11 - Il diSl)ositivo

Il dispositivo può intervenire entro un tempo maggiore del tempo convenzionale

Il dispositivo non ha un comportamento definito

Il dispositivo sicuramente interviene entro il tempo convenzionale

protezione interviene sicuramente solo per correnti superiori a

'l'

Se in base alla (5) si assume In == Iz le correnti comprese tra In e If' che costituiscono un sovraccarico per il cavo. potrebbero non essere mai interrotte (sovraccarico pennanente), Fig. 20.12 a). Ad esempio, un cavo di portata lO A sia protetto con un fusibile di lO A; questo interviene in modo sicuro solo per correnti superiori a 16 A (tabella 20F), sicché il cavo di portata lO A potrebbe essere percorso in permanenza da correnti fino a 16 A subendo un riscaldamento intollerabile. Se si vuole che qualunque corrente superiore alla portata Iz non pennanga per un tempo indefinito, deve essere soddisfatta la condizione, Fig. 20.12 b):

Così facendo aumenta però il divario tra la corrente d'impiego del circuito /B (che deve essere inferiore a In) e la portata Iz ' posta uguale alla corrente If ; ne consegue che il cavo, che può portare la corrente Iz, è utilizzato solo alla corrente I di gran lunga inferiore. B

Scelta dei

di

nrr,to,'i"c,o

delle condutture contro il sovraccarico

459

a)

b)

1

1'451z

c)

Fig.20.12 Scelta della corrente nominale del dispositivo di protezione delle condutture contro sovraccarico. a) I, I La protezione è insoddisfacente perché le correnti comprese tra l, e II possono non essere interrotte- dal/dispositivo e sovraccaricano in modo inammissibile il cavo. . . b) Iz = II' La protezione è completa; m.a la corrente d'iInpìego del circuito IB (che deve essere minore di In) risulta molto mfenore a Iz e 11 cavo e scarsamente ullhzzato.. . . . c) La soluzione di compromesso normativo II:!; 1,451z nduce la dIstanza dI IB da Il senza amphare troppo quella tra Iz e Ildove il cavo potrebbe non essere protetto.

Nell'esempio precedente il cavo di portata lO A dovrebbe essere protetto da un fusibile di corrente nominale In = 10/1,6 ed essere dunque utilizzato ad una corrente inferiore a circa 6 A. Un compromesso tra sicurezza ed economia è stato trovato in sede normativa (CEI 64-8)

460 _ _ _ _ _ _ _ _ _ .._~.. Fondamenti di sicurezza elettrica -------~-------~

ammettendo che If possa superare I z ' in modo che IB possa avvicinarsi a Iz ' ma non di molto; deve essere soddisfatta la condizione, Fig. 20.12 c): (6)

Quanto sopra può anche essere visto in funzione degli intervalli di corrente I - I e I I " , . l" B z z f' Q,.uanto pm e ampio mtervallo I B -Iz tanto meno è utilizzato il cavo, quanto più ampio è I mtervallo Iz If tanto meno è protetto il cavo. In Fig. 20.12 a) l'intervallo I B Iz è minimo, tanto che I B può comcidere con I (cavo utiZ lizzato al massimo), ma è massimo l'intervallo Iz I (cavo mal protetto). In Fig. 20.10 b) l'intervallo IB Iz è massimo (ca:o mal utilizzato) e l'intervallo I -I è nullo (cavo protetto completamente). Z f La Fig. 20.12 c) indica il compromesso normativo nel quale si rinuncia a utilizzare il cavo per le correnti comprese tra IB e Iz e si rinuncia a una protezione certa per le correnti tra Iz e II' Il. ri~chio relativo al compromesso nonnativo sembra accettabile, perché si ha una perdita dI VIta del cavo solo quando si verificano contemporaneamente le seguenti condizioni: l. si stabilisce nel circuito una sovracorrente di valore compreso proprio nell'intervallo

Iz -If ; 2. tale sovracorrente è permanente o di lunga durata (diversamente la perdita di vita per il cavo sarebbe trascurabile); 3. il dispositivo di protezione non interviene, anche se potrebbe intervenire specie per correnti prossime a If . In definitiva, un dispositivo di protezione delle condutture contro sovraccarico deve soddisfare entrambe le condizioni (5) e (6): IB:5ln:5lz If::; 1,451z

Queste condizioni non sono indipendenti tra loro, ma legate dal rapporto l / I variabile con il dispositivo di protezione, sicché la condizione necessaria e sufficient~ pe{ assicurare la protezione contro il sovraccarico è diversa, secondo che il circuito sia protetto da un interruttore automatico o da un fusibile.

a) Interruttori automatici Secondo la tabella 20.E, per gli interruttori automatici ad uso domestico e similare (non regolabili) si ha:

Scelta dei dispositivi di protezione delle condutture contro il sovraccarico

461

Se pertanto è soddisfatta la condizione In::; Iz lo è anche l'altra condizione If ::; 1,45Iz' Un circuito con corrente d'impiego I B e con cavo di portata Iz si considera pertanto protetto contro sovraccarico da un interruttore 'automatico di corrente nominale:

In::; Iz Quanto detto per gli interruttori automatici non regolabili vale a maggior ragione per gli interruttori regolabili per i quali I == 1,3 l n e per gli sgancialori termici dei contattori, f

essendo per questi If = 1,2/", par. 20.4.1. b) Fusibili

Per i fusibili I = 1,6 In e la condizione (6) diventa: f

l,45

I ::;--1 n 1,6 z

0,91z

risulta pertanto sovrabbondante l'ulteriore condizione In::; Iz' In definitiva, la corrente nominale del fusibile per la protezione contro sovraccarico di un circuito con corrente d'impiego IB e cavo di portata Iz, deve soddisfare la condizione:

IB ::;ln ::;0,9Iz Nella tabella 20.G sono indicate le correnti nominali dei fusibìli e degli interruttori aulo~ matici che assicurano la protezione contro il sovraccarico di alcuni tipi di cavi di piccola sezione nelle condizioni di posa più usuali, tenuto conto dei valori normali delle correnti nominali. I Val la pena di osservare come il fusibile, atto alla protezione di sovraccarico, abbia in genere una corrente nominale inferiore a quella di un interruttore automatico e permetta quindi una minore utilizzazione del cavo.

2

20.6.2 Caratteristica d'intervento Correnti superiori a I determinano l'intervento dei dispositivo di protezione entro un f tempo definito dalla caratteristica d'intervento del dispositivo stesso.

I Valori nonnali delle correnti nominali dei fusibili (CEI32-1): 2-4-6--8_10-12_16_20_25_32-40-50--63-80-100-125-200250-315-400-500- ~ ... "~ ;....d o Bc ~ .;; ... c._ ::s • c.. > " 0.."'" " r:::r.' " .- u'" '"o".-~ .!lB Ul " '" 'N" ...d ~ B ::è '" 'ai o '" ::s'" 1;1 " "' Q.. u "ì "c" "oc .,g il " ';;;j N ' E 00;:o o 2:l 'i3c .....- ""o ,~ :: ou '::J

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513

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Fig. 23.4 La caratteristica d'intervento del relè ternùco deve permettere l'avviamento del motore anche a tensione ridotta .

La caratteristica d'intervento del relè varia con la temperatura ambiente; in genere è riferita a 20°C. Se il relè si trova in un luogo più caldo del motore, ad esempio entro un quadro elettrico, può dar luogo a scatti intempestivi, Si ovvia all'inconveniente con il relè di sovraccarico compensato nei confronti delle variazioni di temperatura, II bimetallo non agisce sulla leva di sgancio direttamente, ma per il tramìte di un elemento intermedio sensibile alla temperatura ambiente, Fig. 23.5. Se viene a mancare una fase, per intervento di un fusibile o per intenuzione di un conduttore, il motore assorbe una corrente maggiore sulle due fasi ed è termicamente sollecitato; invece il relè termico stenta a intervenire, perché il meccanismo di sgancio è azionato sol-

tanto da due bilamine. Risolve il problema ìI relè termico differenziale o per mancanza difase nel quale agiscono due cursori a "scorrimento differenziale" che in mancanza di una fase rendono il relè più sensibile al sovraccarico, Fig. 23.6.

Fondamenti di

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Avvolgimenti percorsi da corrente

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b)

L1

Avvolgimenti percorsi da corrente

Tl

l2

T2

@ Lamine bimetalliche

®

@ Cursore

@ Contatto mobile del relè

Fig. 23.5 - Principio di funzionamento di: a) relè termico, b) relè termico compensato.

L3

T3

@ Lamina bimetallica di compensazione della temperatura Leva di sgancio

515

Protezione dei motori contro le sovracorrenti

a)

L1

L2

L3

contatto mobile del relè

b)

L1

L2

L3

contatto mobile del relè

c)

L1

L2

L3

Fig. 23.6 - Relè termico differenziale (per mancanza di fase). a) Relè a riposo. b) Relè sovraccaricato su tutte e tre le fasi: i cursori "a" e "b" si spostano parallelamente.

c) Relè sovraccaricato sulle fasi 2 e 3: il cursore "b" resta bloccato dalla lamina sulla fase l, il cursore "a" scorrendo aziona illeverismo "c" che amplifica il movimento e apre ìl contatto.

516

Fondamenti di sicurezza elettrica

Una volta che il relè ha agito sul dispositivo di manovra e questo ha aperto il circuito, il relè si raffredda e può essere congegnato in modo da ritornare nella posizione primitiva automaticamente o con intervento manuale. È da osservare che il relè si raffredda prima del motore: se la causa di sovraccarico permane, successivi avviamenti provocherebbero un riscaldamento progressivo del motore. È pertanto necessario il ripristino manuale del relè se il comando del motore è permanente, cioè se la richiusura del relè stesso determina l'avviamento del motore. In caso contrario è consentita la richiusura automatica del relè, ad esempio se il circuito di comando del motore è dotato di pulsanti dì marcia e di arresto, Fig. 18.7; in tal caso, infatti, la richiusura del relè non provoca l'avviamento del motore, finché l'operatore non abbia azionato il pulsante di marcia. In entrambi i casi è dunque necessario che l'operatore, dopo aver rimosso la causa che ha determinato il sovraccarico, intervenga o sul relè dì sovraccarÌCo o sul pulsante di marcia. Il relè termico va associato a un organo di manovra, in genere un contattore se il motore deve effettuare frequenti avviamenti e arresti (servizio intermittente).' L'assieme dei dispositivi di manovra e di protezione contro sovraccarico prende il nome di avviatore. Sono previste due categorie d'impiego degli avviatori per i motori a gabbia: AC3 e AC4. La categoria AC4 è prevista per condizioni di funzionamento più gravose, quali chiusure brevi e frequenti per ottenere piccoli movimenti del motore (manovra a impulsi), e frenatura in controcorrente. 2 . Gli avviatori sono suddivisi secondo il numero totale dei cicli a carico (durata elettrica) che l'avviatore è in grado di effettuare prima che si renda necessaria la riparazione o sostituzione di pezzi. Nelle manovre con frequenza molto elevata, le differenti costanti termiche del motore e del relè termico rendono problematìca la protezione del motore contro il sovraccarico; in casi particolari può essere necessario ricorrere ad altri dispositivi di protezione, ad esempio sonde a termistore ubicate nell'avvolgimento statorico. I fusibili non sono adatti per la protezione contro il sovraccarico del motore, Fig. 23.7. Un fusibile di uguale corrente nominale del motore, interviene soltanto per correnti superiori a 1,6 In (tab. 20.F) e non permette inoltre l'avviamento del motore. Un fusibile di corrente nominale maggiore di quella del motore permetterebbe l'avviamento del motore, ma sarebbe ancor meno efficace nella protezione contro il sovraccarico.

I Per rapporto d'intennittenza si intende ìI rapporto tra il tempo di passaggio della corrente e la durata totale del ciclo. Se le pause di riposo sono sufficienti perché il motore si riporti alla temperatura ambiente, il servizio non è da considerare intermittente, ma di "durata limitata". Se il motore è destinato a funzionare per un tempo illimitato, si parla di "servizio continuo". 2 Per frenatura in controcorrente si intende l'arresto o ('inversione del Senso di rotazione del motore, ottenuta invertendo le connessioni di due fasi dell'alimentazIOne mentre il motore sta girando.

517

t

fuslblle di oonenle nominale

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fuslbile di OOmlnle nominale maggiore di quella del moto re

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Fig. 23.7 - I fusibili non sono adatti alla protezione contro il sovraccarico dei motori: il fusibile di corrente nominale uguale a quella del motore non ne permette l'avviamento; _ un fusibile di corrente nominale maggiore di quella del motore permette l'avviamento, ma non protegge il motore.

23.4 Dispositivi di protezione del motore contro il cortocircuito L'avviatore, inteso come assieme del contattore e del relè termico, non è adatto a garantire la protezione del motore contro il cortocircuito, essenzialmente perché: _ il contattore ha un potere d'interruzione commisurato alla massima corrente di funzionamento del motore (a rotore bloccato), ma non è idoneo a sopportare e interrompere correnti di cortocircuito; il tempo d'intervento del relè termico, corrispondente alla corrente di cortocircuito, sarebbe troppo elevato. Occorre pertanto completare la protezione con un dispositivo atto ad intervenire in condizioni di cortocircuito. Fondamentalmente vi sono due soluzioni:

518

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Fig. 23,8 Un interruttore automatico con caratte· ristica d'intervento termico regolabile e soglia d'intervento magnetico maggiore di 14 I" (salvamotore) assIcura la protezione del motore contro il sovraccarico e il conocircuito.

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~ Interrutlore magneloterm'!CO

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Fig. 23.9 Combinazione avviatore-fusibile tipo aM, per la protezione del motore contro il sovraccarico e il cortocircuito.

ass~iare. due sganciatori, uno termico per il sovraccarico e uno magnetico per il cortoCircUIto, In uno stesso dispositivo di manovra; oppure Installare fusibili tipo aM a monte dell'avviatore.

La prima soluzione corrisponde a un interruttore automatico (magnetotermico), con relè termico regolablle, m modo da adattarlo alla corrente di targa In del motore, e con soglia dt mtervento . , . dello sganclatore magnetico di 12 I n .;- 14 I n in modo da perme tteme sicuramente I aVViamento, Fig. 23.8. La ~oglia di intervento magnetico di 12 In .;- 14 In si ottiene assumendo una corrente di avvlament0.ca rotore bloccato) pari a sei-sette volte la corrente di targa del motore e un valore doppiO a causa dell'assimmetria della corrente.

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519

Questa soluzione è adatta solo quando le manovre di avviamento e di arresto del motore sono poco frequenti e se non c'è pericolo di riavviamento intempestivo del motore dopo una mancanza o abbassamento di tensione, par. 185.2. 1 La Fig. 23.9 mostra il coordinamento avviatore-fusibile tipo aM. La corrente di scambio tra il relè termico e il fusibile, oltre la quale interviene cioè solo il fusibile, deve essere inferiore al potere d'interruzione dell'avviatore; quest'ultimo proteg .. ge il fusibile per piccole correnti di sovraccarico. Il costrUttore del contattore o avviatore indica il fusibile idoneo per proteggere il contattore o avviatore, inoltre deve precisare fino a quale corrente di cortocircuito. per quale tensione e il tipo di coordinamento. Il tipo di coordinamento (I o 2) specifica i danni ammissibili per il contattore o avviatore a seguito del cortocircuito, nonostante la presenza del fusibile. Nel coordinamento dì tipo l il contattore o avviatore può richiedere riparazioni o sostituzioni di parti per riprendere il servizio dopo il cortocircuito. Nel coordinamento di tipo 2 il contattore o avviatore è in grado di riprendere il servizio dopo il cortocircuito. In entrambi i casi è ammesso che i contatti si saldino. È opportuno che il relè sia di tipo differenziale, intervenga cioè per mancanza di fase, Fig. 23.6; il che è sempre consigliabile, ma in modo particolare in questo caso in cui una fase potrebbe essere interrotta dall'intervento del relativo fusibile .

I

Il fusibile di tip--;~--~---I

Circuiti privilegiati

b)

UPS on-line ---

Flusso di energia

Fig.24.1 Tipi di gruppi di continuità: a) UPS off-hne: il carico è alimentato in condizioni ordinarie dalla rete e viene commutato all'occorrenza

sull'inverter; b) UPS on-Hne: il carico è alimentato in condizioni ordinarie attraverso l'inverter.

Spesso la batteria di accumulatori fa parte di un complesso. costituito da un raddrizzatore e inverter per alimentare carichi in alternata, denominato UPS (Uninterruptible Power System). In condizioni ordinarie il carico può essere alimentato direttamente dalla rete (UPS off-line, Fig. 24.1 a), oppure tramite l'UPS (UPS on-line, Fig. 24.1 b). In questo secondo caso un commutatore statico commuta il carico in rete in caso di avaria dell'inverter o di sovraccarico; naturalmente il rendimento è minore, ma il carico è alimentato in condizioni ordinarie dall'UPS e non sente quindi le perturbazioni e le distorsioni provenienti dalla rete. Nello schema di Fig. 24.2 il by-pass permette di alimentare il carico dalla rete in caso di interventi di manutenzione sull 'UPS.

528

di

elettrica

By-pass manuale

Rete

-7-;--,-~-l(;J-

/

- - o - - Circuiti privilegiati

Fig. 24.2 - Il by-pass manuale permette di alimentare i circuiti privilegiati durante interventi di manutenzione suIl'UPS.

d) Generatore indipendente dall'alimentazione ordinaria Il generatore indipendente dall'alimentazione ordinaria è in genere costituito da un gruppo elettrogeno, spesso con motore diesel. L'affidabilità del gruppo elettrogeno dipende soprattutto dalla manutenzione. Occorre effettuare prove periodiche, ad esempio settimanali, di avviamento e a carico; devono essere eseguite verifiche sistematiche dei punti più critici: il li vello del gasolio, lo stato della batteria, il filtro dell'aria, ecc. Il gruppo elettrogeno impiega mediamente circa 15 s per l'avviamento. Se non sono ammesse interruzioni, OCCorre adottare un gruppo di continuità rotante. In condizioni normali, il motore elettrico riceve energia dall'alimentazione ordinaria e tiene in rotazione il generatore e un volano; il generatore alimenta I'utenza. AI venir meno dell'alimentazione ordinaria, il volano mantiene in rotazione il generatore per il tempo necessario al motore diesel ~r avviarsi e raggiungere il regime.

24.3 Requisiti dei circuiti di sicurezza L'alimentazione ordinaria può venir meno perché: manca l'alimentazione esterna all'impianto, oppure

- è interrotto il circuito di alimentazione, interno all'impianto, per un guasto o per l'intervento di un dispositivo di protezione. OCCorre fronteggiare entrambe le cause; a tal fine non è sufficiente predisporre una sorgente di energia elettrica di riserva, bisogna realizzare anche un ulteriore circuito di ali-

Alimentazione dei servizi di sicurezza

529

mentazione, indipendente da quello ordinario (circuito di sicurezza), tra la sorgente e l'apparecchio o la parte d'impianto da alimentare. Indipendente vuoi dire che un guasto elettrico, un intervento o una modifica sul circuito ordinario, o su altri circuiti, non impediscono il corretto funzionamento del circuito di sicurezza. Ad esempio i conduttori sono installati in tubi protettivi distinti, le giunzioni sono poste in cassette separate, ecc. n punto di commutazione tra circuito ordinario e circuito di sicurezza deve essere, per quanto possibiÌe, prossimo all'utenza privilegiata, in modo da rendere trascurabile la probabilità di guasto sul tratto di circuito comune; ad esempio, la commutazione può essere effettuata sull'ultimo quadro di distribuzione locale. La commutazione è in genere automatica e comandata da un relè di minima tensione; per i motivi suddetti questo deve essere sensibile alla mancanza della tensione (anche di una sola fase) in un punto prossimo all'utenza privilegiata. Nei sistemi senza commutazione, ad esempio nei gruppi di continuità, la sorgente dovrebbe essere situata per quanto possibile in prossimità dell'utenza privilegiata, proprio per diminuire la probabilità di interruzione del circuito di alimentazione. Al fine di ridurre la probabilità di interruzione del circuito di sicurezza, è preferibile omettere la protezione contro il sovraccarico, poiché l'invecchiamento precoce del cavo rappresenta in questo caso il male minore. I Se i circuiti di sicurezza sono destinati a funzionare durante un incendio, ad esempio alimentano le pompe antincendio, i componenti del circuito devono essere tali da continuare a funzionare per il tempo prestabilito durante l'incendio. Ciò può essere ottenuto per installazione, ad esempio conduttura incassata nel muro, oppure per costruzione, ad esempio cavi ad isolamento minerale, o cavi speciali resistenti alfuoco. 2 I circuiti di sicurezza non devono attraversare zone con pericolo di esplosione; è inoltre preferibile che non attraversino luoghi a maggior rischio in caso d'incendio, par. 27.3. La protezione contro i cortocircuiti e contro i contatti diretti e indiretti deve essere idonea nei confronti sia dell'alimentazione ordinaria sia dell'alimentazione di sicurezza. La protezione contro i contatti indiretti dovrebbe essere tale da evitare l'interruzione del circuito per primo guasto a terra; si può adottare per l'alimentazione dei servizi di sicurezza il sistema IT. Questo migliora la continuità del servizio, e permette la sostituzione dell'alimentazione normale con quella di sicurezza anche quando la causa del disservizio sia un guasto a terra sull'utenza privilegiata. I circuiti di sicurezza devono essere contraddistinti in modo da essere facilmente individuabili. l Questo vuoi dire, ad esempio, che un interruttore automatico. installato su di un circuito di sicurezza, deve avere una corrente nominale almeno successiva, nella sene dei valori nonnalì, a quella atta ad assicurare la protezione contro il sovraccarico, 2 L'isolante del cavo resistente al fuoco brucia, ma la cenere è isolante, rimane a contatto con il conduttore e ne assicura l'isolamento. Il cavo ad isolamento minerale non contiene sostanze combustibili. Esso è tonnato da una guaina esterna continua di rame che racchiude uno o più conduttori, isolati tra loro e dalla guaina con polvere minerale fortemente compressa (ossido di magnesio).

530

24.4 Illuminazione di sicurezza L'illuminazione di sicurezza è in genere prevista al fine di: a) evitare il panico, specie nei locali affollati dove il buio improvviso provocherebbe conseguenze imprevedibili; b) permettere l'esodo delle persone; c) evitare infortuni in caso di lavorazioni ad alto rischio. L'illuminamento minimo e il tempo per il quale deve essere fomito (autonomia) devono essere stabiliti di volta in volta dalla norma che richiede l'illuminazione di sicurezza. La tabella 24.A indica dove l'illuminazione di sicurezza è richiesta, con qualì caratteristiche e da quale norma o disposizione legislativa specifica. L'illuminazione di sicurezza può essere alimentata da una unica sorgente centralizzata (gruppo elettrogeno, batteria di accumulatori) o essere costituita da apparecchi dì illuminazione autonomi. Questi contengono la batteria di accumulatori, con le relative apparecchiature di carica e di protezione; sono particolarmente adatti nei piccoli impianti per la semplicità di installazione e di esercizio. In questo caso la sorgente (batteria di accumulatori) è inglobata nello stesso apparecchio di illuminazione, viene quindi meno il circuito di sicurezza che collega la sorgente all'apparecchio e ogni prescrizione relativa alla sua indipendenza dagli altri circuiti. Le batterie al nickel-cadmio o al piombo sono del tipo sigillato, cioè non richiedono rabboccamenti dell'elettrolita. L'illuminazione di sicurezza può funzionare permanentemente, o entrare in fun~i bar '" 0,99' 10-5 alm.

Costruzioni elettriche per atmosfere esplosive. Modi di proteziol1.e. ___ ~

557

secondo; nella detonazione un'onda anomala dì pressione dei prodotti della combustione comprime adiabaticamente i gas incombusti e li accende con velocità di propagazione di 2000 -o- 3000 mls. Le riflessioni dei picchi di pressione provocati dalla detonazione, possono dar luogo a fenomeni di risonanza, con conseguenze disastrose per il contenitore. Sono soprattutto i contenitori di grosso volume, di forma allungata e con superfici piane, ad essere più esposti agli effetti della detonazione.

La custodia non necessita di aperture per sfogare la pressione; il fenomeno è di natura impulsiva e sarebbero necessarie aperture di dimensioni incompatibili con la tenuta alla fiamma.

Fig. 26.1 - I gas combusti, prodotti da un'esplosione iniziale sul fronte A del motore, precomprimono, attraverso il traferro, i gas sul fronte B e detenninano su quest'ultimo una pressione di esplosione molto più grande che in A.

Fondamenti

b) Tenuta alla fiamma Ogni custodia a prova d'esplosione è composta di almeno due parti, per permettere l'accesso alla custodia stessa e il ricambio del componente elettrico. Spesso un organo mobile deve fuoriuscire dalla custodia per trasmettere un movimento, come un albero-motore un'asta di manovra, ecc. Si definisce giunto lo spazio di accoppiamento tra le superfic~ corrispondenti di due parti della custodia o tra la custodia e un organo mobile. Secondo la forma delle superfici corrispondenti il giunto è denominato: piano, cilindrico, ad angolo, tHettato, a labirinto, Fig. 26.2. Il giunto è individuato, oltre che dalla forma, dalla lunghezza e dall'interstizio (distanza tra le superfici corrispondenti). Il giunto deve essere in grado di impedire la trasmissione, all'atmosfera esplosiva esterna, di un'esplosione che avvenga all'interno della custodia. Le pareti del giunto raffreddano i gas che lo attraversano: lo scambio tennico è maggiore se ìl moto è turbolento anziché laminare, poiché il regime turbolento facilita il contatto delle particelle di gas con le pareti. L'interstizio deve essere perciò piccolo per determinare un moto turboIento e la lunghezza deve essere grande, in modo da favorire il raffreddamento dei gas uscenti.

L Giunto plano

Giunto a labirinto L:: lunghezza del labirinto

Fig.26.2 Tipi di gIunti, di lunghezza L.

Giunto cmndrico

Giunto ad angolo L=a+b

Giunto filettato L = lunghezza dei filetti in presa

Nonostante l'azione raffreddante del giunto, i gas possono fuoriuscire a temperatura superiore a quella di accensione; a volte esce la stessa fiamma, ma non necessariamente l'esplosione si trasmette all' esterno della custodia. Come noto dal paragrafo 25.1, l'accensione avviene dopo un certo tempo d'applicazione di una sorgente d'innesco (tempo d'induzione). Durante questo tempo il getto di gas surriscaldati, o lo stesso fronte di fiamma uscente dalla custodia, si mescola con il gas fresco esterno ancora incombusto; il conseguente raffreddamento del getto può essere tale da impedire l'accensione della miscela. L'immissione di miscela fresca nel getto è favorita dal moto turbolento e dall 'elevata velocità del getto stesso; è quindi comprensibile, come interstizi inferiori a un certo limite impediscano la trasmissione dell'esplosione all'esterno l In verità, "impedire" non è il tennine adatto, perché non c'è mai la certezza, ma solo una elevata probabilità, di non trasmettere l'esplosione dalla custodia verso l'esterno. L'interstizio massimo che non trasmette l'esplosione varia, a parità di ogni altra condizione, con il tipo di miscela esplosiva; esso è tanto più piccolo quanto minore è l'energia minima di accensione. Si definisce MESG di un gas (maximum experimental safe gap) il massimo interstizio di un giunto piano che non trasmette l'esplosione ali' esterno della custodia in condizioni di prova definite e per qualsiasi concentrazione in aria di quel ga~ (EN 60079-0, Allegato A). L'interstizio sperimentale massimo di sicurezza è un indice convenzionale delle difficoltà di realizzare una custodia Ex d per un determinato tipo di gas: tanto minore è il MESG di quel gas, tanto maggiori sono tali difficoltà. In relazione al MESG i ga~ sono suddivisi nei gruppi IlA, IlE, IlC come indicato in tabella 26.A; il gruppo I è riservato alle custodie destinate alle miniere grisutose. In altre parole, una custodia Ex d non è adatta per qualsiasi gas, ma solo per i gas del gruppo di appartenenza o dei gruppi precedenti nell'ordine alfabetico. li gruppo della custodia Ex d è pertanto un dato di targa fondamentale per la scelta della custodia stessa. Attraverso il giunto possono essere espulsi all'esterno, oltre ai gas surriscaldati, anche particelle incandescenti, ad esempio carboniose, che più facilmente innescano la miscela esplosiva. Nei confronti di questo pericolo i giunti piani sono i meno sicuri, anche perché subiscono le maggiori deformazioni al passaggio dell'onda di pressione; i giunti piani non sono infatti ammessi per custodie del gruppo II C. Maggiori garanzie sono fornite, in ordine crescente, dai giunti ad angolo, a labirinto, filettati. Il costruttore può aggiungere una guarnizione nel giunto per migliorarne il grado di protezione IP, ma la guarnizione è ininfluente sia per evitare l'ingresso della miscela esplosiva nella custodia, sia ai fini della tenuta alla fiamma.

I Il modo in cui il giunto influisce sulla trasmìssione dell' esplosione è di nalUra fisìco-chimìca molto piÙ complessa. La dizione "Ienuta alla fianuna" largamente utilizzata anche nella normalÌva, è fuorviante; si tralta di una forma abbrevi.ta che sta per "tenuta alla fiamma capace di innesçare l'atmosfera esplosiva"; il compito del giunto è di contenere mfatti "esplosione e non necessarìamente qualunque fiamma.

560

Fnr,ru.lm""ti di

Tabella 26.A Suddivisione dei gas in gruppi secondo il MESG.

Gruppo della custodia

MESG (mm)

o vapore .. ... ~

I

__..

IlA

0,9 < MESG

IIB

0,5 s MESG s 0,9

IlC

MESGvf ~§Emfl~ R

1\

0,01

L

I li III 0,03

0.1

I 0,3

0.5

1.0

minima corrente d'accensione I (Al

Fig. 26.5.- Circuiti induttivi. Minime correnti di accensione per costrozioni a sicurena del gruppo indicato.

mosfera esplosiva. Tra tante variabili non resta che riferirsi a metodi di prova normalizzati, che riproducano per quanto possibile le condizioni più ricorrenti. A tal riguardo i gas sono classificati in funzione del rapporto delle loro minime correnti di accensione, MIC (minimum ignition current), rispetto a quella del metano di laboratorio, secondo il metodo normalizzato indicato nella norma EN 50014 (Cm 31-8), Allegato A. I limiti di classificazione sono i seguenti: gruppo Il A: rapporto MIC superiore a 0,8; _ gruppo Il B: rapporto MIC compreso tra 0,45 e 0,8; _ gruppo II C: rapporto MIC inferiore a 0,45.

566

...""ti",,,,,,,,,.. di sicurezza

IMP

3

10

30

tensione minima d'accensi one U (V)

Fig.26.6 Circuìti capacitivi. Minime tensioni di accensione per costruzion i a sicurezza del gruppo indicato.

Per la ~ag.gior p~ dei gas questa classificazione corrisponde a quella già indicata per le costruZlOfil Ex d In, base. al MESG; cioè un gas appartiene in genere allo stesso gruppo, sia per le COStruZlOfil Ex d sIa per quelle Ex i. In Fig. 26.4 SOfi(~ ~dicate le minime correnti di accensione per circuiti resistivi (L::; l rnH), !il Flg.26.5 le mInIme correnti di accensione per i circuiti induttivi (L> I rnH), in Fig. 26.6 le minIme tensioni di accensione per circuiti capaciti vi, secondo CEI 31-9. I circuiti a sicurezz a intrinseca non devono presenta re correnti d'accen sione o tensioni di accensione superiori a quelle sopraindicate, con un coeffici ente di sicurezz a indicato nelle norme.

P

atmosfere

Modi di

n,r.""7;,nn o

567

Si definisce costruzione elettrica a sicurezza intrinseca una costruzi one nella quale tutti i circuiti sono intrinsecamente sicuri. È questo il modo di protezione più idoneo per la strumentazione di misura e per i sistemi di controllo e di comunic azione, che necessitano di piccolissime potenze. Le costruzioni elettriche a sicurezza intrinseca sono divise in due livelli di protezione "ia" e "ib".1 Le caratteristiche dei due livelli sono precisate nelle norme relative, ma fondamentalmente la differenza tra i due livelli può essere sintetizzata come segue. Le costruzioni di livello "ib" sono destinate alle zone con piccola probabilità di presenza di atmosfera esplosiva, e non devono provocare l'accensione dell'atm osfera esplosiva né in funziona mento normale, né in presenza di un guasto singolo. Le costruzioni di livello "ia" sono destinate alle zone con maggiore probabilità di presenza di atmosfera esplosiva, e non devono costituire causa d'innesc o né in funzionamento normale, né per una combinazione qualsias i di due guasti.

A volte, il circuito a sicurezza intrinseca, che deve essere posto in zona pericolosa, è derivalo da un normale sistema elettrico situato in zona non pericolosa; è ad esempio il caso di un elaboratore di processo nell'industria chimica , i cui elementi terminali si trovino in zona pericolosa. Si cerca in tal caso di separare il circuito, posto in zona pericolosa, dal resto del sistema elettrico che lo alimenta tramite una barriera di sicurezz a. La barriera dì sicurezza, detta anche apparecchiatura associata,. opera in modo che il circuito a sicurezz a intrinseca non possa assumere, per una causa qualsias i, parametri elettrici pericolosi. Le barriere di sicurezza possono essere passive o attive. La barriera di sicurezza passiva è costituita da un quadripolo che compren de una resistenza in serie per limitare la corrente, un diodo in parallelo per limitare la tensione e un fusibile di protezione. In Fig. 26.7 a) è riportato lo schema di principio di una barriera di sicurezza a diodo Zener. Il diodo presenta un'eleva ta resistenza fino al valore di tensione che innesca la conduzi one a valanga, dopo di che costituisce praticamente un cortocircuito. In condizio ni normali quindi il diodo non conduce e il segnale può trasferir si senza distorsioni apprezzabili dai poli 1-2 ai poli 3-4. Se la tensione U]2 per una causa qualsiasi supera la tensione d'innesc o del diodo, questo cortocircuita la linea. La corrente di cortocircuito potrebbe danneggiare il diodo fino a interrom peme la continuità, il che sarebbe particolarmente grave poiché l'evento non sarebbe segnalato e il circuito a sicurezza intrinseca rimarrebbe senza protezione. La barriera di sicurezza passiva viene allora modificata con più diodi in parallelo, come indicato in Fig. 26.7 b). L'energia specifica (I 2t) lasciata passare dal fusibile deve essere tollerabile per iI diodo. La barriera di sicurezza attiva è un elemento che trasmette il segnale interrom pendo la continuità galvanica tra la zona pericolosa e la zona non pericolosa (trasform atore, optoisolatore). l In passato, ìIlivello dì protezione era indicato con il tennine "categoria ", ma ciò creava confusione con le categorie (I, 2 e 3) della direttiva 9419/CEE.

568

zona sicura

zona pericolosa

R sovratensione

---------,I I I I

a) 2

4

zona sicura

~ sovratensione

3

zona pericolosa

R

3

---------,I I

I I

b) 2

4

~ig. 26.7 Esempio di barriere di sicurezza passiva: a) il diodo costituisce un cortocircuito quando la tensione U12• supera la tensione d'mnesco; b) con più diodi si evita l'apertura della barriera in caso di interruzIOne di uno del dIodI.

26.5 Modi di protezione a immersione in olio "o" e sotto sabbia "q" N~l ~odo di protezione a immersione in olio "o" il componente elettrico è immerso in olIo, In modo che un'at~osfera esplosiva che si trovi sopra il livello dell'olio non possa accendersl, per cause denvantI dal funzionamento del componente stesso. Dev~n~ es:ere presi provvedimenti per evitare l'inquinamento dell'olio con polvere e uIIlldltà, e l abbassamento del suo livello al di sotto del minimo prestabilito. ~el modo di p:otezione sotto sabbia "q" la custodia è riempita con materiale polverulento, In genere sabbIa di quarzo,in modo da non provocare l'accensione dell'atmosfera esplosiva esterna nel caso di arco mterno alla custodia.

Costruzioni elettriche per atmosfere esplosive. Modi di protezi_o_ne_ _ _ _ _5_6_9_

Uno schermo di lamiera metallica forata può sovrastare il componente elettrico da proteggere, Fig. 26.8; la sabbia ha una altezza di protezione ho ::: hea + d dove hea è la distanza tra schermo e parte attiva più vicina de'n'apparecchio, mentre lo strato d di sabbia è di riserva per compensare la formazione accidentale di vuoti nello strato sottostante. La custodia deve avere un grado di protezione almeno IP54. Nelle norme relative, è prevista una sequenza di prove per accertare che il battente d'olio, e lo strato di sabbia, siano idonei ad evitare l'innesco dell'atmosfera esplosiva, in relazione alle caratteristiche dell'arco cui può dar origine l'apparecchio protetto.

26.6 Modo di protezione a sicurezza aumentata "e" Alcuni componenti elettrici nel servizio ordinario non producono archi o scintille, né raggiungono sovratemperature pericolose, ad esempio un motore asincrono trifase con rotore in cortocircuito; essi possono costituire una sorgente d'innesco dell'atmosfera esplosiva solo in occasione di guasti. Da queste premesse discende il concetto informatore del modo di protezione a sicurezza aumentata: ridurre al minimo la probabilità di guasto di un componente elettrico, che non produce archi, scintille o temperature pericolose nel funzionamento normale. In altre paro-

' - -_ _ lIrli"SIT"

....--schermo

componente elettrico

~\i;I---

sabbia

Fig. 26.8 - Esempio di applicazione del modo di protezione sotto sabbia.

di ispezione

570

Fondamenti di

le, il modo di protezione "e" consiste nell'applicare alle costruzioni elettriche misure che permettano di evitare, con un elevato coefficiente di sicurezza, la formazione di archi o scintille e lo stabilirsi di temperature eccessive in componenti elettrici che non ne producono in servizio ordinario. Le prescrizioni costruttive che rendono la costruzione Ex e più sicura, rispetto a una costruzione nonnale, sono ad esempio: aumento delle distanze superficiali e distanze in aria, par. 9.2.1; scelta di materiali isolanti di alta qualità e non igroscopici; sezioni sovrabbondanti delle parti conduttrici ai fini termici e meccanici; - protezione contro gli effetti di urti e vibrazioni, in particolare nel serraggio dei conduttori; grado di protezione dell'involucro non inferiore a IP44 (IP54 se l'involucro contiene parti attive non isolate). Condizioni critiche di sicurezza si verificano nei motori Ex e nel funzionamento a rotore bloccato: l'elevata corrente di avviamento lA rischia di surriscaldare il motore oltre i Iìmiti di temperatura ammissibili, par. 23.2. A tal fine, le norme definiscono il tempo di riscaldamento tE come il tempo necessario perché l'avvolgimento del motore, che si trovi a regime e alla massima temperatura ambiente, percorso dalla corrente di avviamento lA' raggiunga la temperatura limite. La temperatura limite è la più bassa temperatura tra quella corrispondente alla classe d'isolamento del motore e quella relativa alla classe di temperatura per la quale il motore è previsto, tabella 26.B. L'andamento delle temperature e il tempo tE sono indicati in Fig. 26.9. Le norme impongono che il tempo tE non sia inferiore ai limiti indicati in Fig. 26.10, in funzione dei rapporto lA, / In' con un minimo assoluto di 5 s (CEI 31-65).

e temperatura limite-

;

;

;"

"

/ I temperatura del motore a regime -

I I

~---

massima temperatura ambiente (ìn genere 40°C) -

L.o--

l/ii ----

I

Fig. 26.9 A seguito del blocco del rotore la tempef",ltura del motore, già a regime, aumenta rapidamente (curva tratteggiata), fino a f",lggìungere, nel tempo lE la temperatura considerata pericolosa per l'innesco della miscela o per l'isolante del motore (temperatura limite). U tempo lE è denominato tempo di riscaldamento.

Costruzioni elettriche per atmosfere esplosive. Modi di protezio_n_e_ _ _ _ _5_7_1

J

50

"'"

20 10

5

" Ì"-.

2

1

2

5

Fig. 26.10 - I motori in esecuzione Ex e devono avere un tempo dì riscaldamento tE non inferiore ai minimi sopraindicati in funzione del rapporto lA i In'

II relè temlico per la protezione del motore contro sovraccarico, par. 23.2, deve essere 26.1 L scelto in modo da disinserire il motore a rotore bloccato entro il tempo tE' In genere il relè temlico può soddisfare a questa condizione se l'avviamento del motore non è particolarmente gravoso, se cioè il tempo di avviamento t A soddisfa la relazione tAs 1,7 tE'

26.7 Modi di protezione "m" e "n" Il modo di protezione per incapsulamento "m" consiste nell'inglobare il componente elettrico in un blocco di resina; si applica ai componenti statici impiegati in genere nei sistemi elettronici (circuiti stampati, dispositivi a semiconduttori, reattori, condensatori, ecc.). Il modo di protezione "n" consiste in particolarità costruttive che rendono il componente adatto all'installazione in luoghi con piccola probabilità di atmosfera esplosiva (emissioni poco frequenti e di breve durata). La chiusura ermetica è un esempio di modo di protezione "n"; si applica a piccoli interruttori di comando i cui contatti sono segregati in involucri impenetrabili anche ai gas, ad esempio contatti sotto vuoto, in ampolla di mercurio. Le custodie a respirazione limitata costituiscono un altro esempio di modo di protezione "n". Si tratta in questo caso di componenti elettrici che sviluppano poco calore, in modo che la temperatura e la pressione dentro e fuori la custodia siano sensibilmente uguali. Il

572

Fondamenti di

t (s)

104

103

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carauerilitica d'intervento del relè di proteziOne

"

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caratteristica dì avviamento del motore

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,

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...............

I I I I I I

10-2

2

Fig. 26.11 - Il relè termico, posto a protezione del motore in esecuzione Ex e, deve intervenire, a rotore bloccalo, entro il tempo limite lE e permettere l'avviamento del motore. La caratteristica d'intervento deve pertanto passare al di sotto del punto lA' lE e sopra il punto fA' fA' par. 23.2.

Costruzioni elettriche per atmosfere esplosive. Modi di

prote~~n{l_ _ _ ~

trasporto di gas all'interno della custodia è allora dovuto unicamente alla diffusione ed è possibile realizzare la custodia sufficientemente "stagna", sÌ da ritardare l'ingresso del gas nella custodia stessa, Poiché tale modo di protezione è destinato laddove la presenza di atmosfera esplosiva è poco frequente, e comunque di breve durata, sarà estremamente improbabile che si formi un'atmosfera esplosiva entro la custodia. Il componente non innescante e il dispositivo a cella chiusa costituiscono ulteriori esempi di applicazione del modo di protezione "n" e nel contempo una semplificazione del modo di protezione "d", nel senso che il principio di protezione è il medesimo, ma le prove sono molto più blande; lo stesso dicasi del circuito a limitazione d'energia derivato dal circuito a sicurezza intrinseca.

elettrici a sicurezza

27

575

IMPIANTI ELETTRICI NEI LUOGHI CON PERICOLO DI ESPLOSIONE E A MAGGIOR RISCHIO IN CASO D'INCENDIO

27.1 Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione Per realizzare un impianto elettrico nei luoghi con pericolo di esplosione, occorre innanzitutto rispettare le norme generali per gli impianti elettrici. Le norme generali vanno accuratamente seguite, soprattutto per quanto riguarda il dimensionamento e l'installazione dei componenti dell'impianto in relazione alle condizioni ambientali, in modo che essi siano atti a sopportare le sollecitazioni meccaniche, chimiche e termiche cui possono essere sottoposti durante l'esercizio, e per quanto attiene alla scelta e all'applicazione dei dispositivi di protezione contro le sovracorrenti. Oltre le norme generali per gli impianti elettrici, occorre scrupolosamente rispettare le norme specifiche per gli impianti nei luoghi con pericolo di esplosione. Si citano a titolo di esempio alcune di queste regole: - è d'obbligo proteggere i sistemi TI utilizzati nelle zone I per la presenza di gas o vapori infiammabili con dispositivi differenziali, indipendentemente dalla protezione contro i contatti indiretti, Cap. 6; ciò per evitare il permanere di correnti verso terra le quali sono limitate dalla resistenza di terra e difficilmente sono interrotte dai dispositivi di protezione contro le sovracorrenti; non sono ammessi i sistemi TN-C, poiché la corrente che percorre il conduttore di neutro interesserebbe anche le masse e masse estranee, con pericolo di sovrariscaldamenti locali; ìl conduttore di neutro deve essere sempre sezionabile, per evitare che piccole tensioni e correnti possano dar luogo a scintillii durante i lavori sul circuito;

576

Fondamenti di sicurezza elettrica

- cavi e tubi protettivi devono rispondere a particolari requisiti di costruzione ed essere posati secondo regole d'installazione molto severe; - deve essere predisposto un interruttore di emergenza esternamente alla zona pericolosa. Determinante è infine la manutenzione e l'esercizio dell'impianto. L'errore umano può vanificare qualsiasi misura di sicurezza, particolarmente nei luoghi con pericolo di esplosione. Alcuni esempi sono molto eloquenti: - la tenuta aIla fiamma di una costruzione Ex d può essere fac'ilmente compromessa da alterazioni agli interstizi, conseguenti a rigature verificatesi nel montaggio e smontaggio del coperchio, o a viti non serrate a regola d'arte; - un motore Ex e può superare la temperatura limite se la regolazione del relè di protezione non è idonea; - la sostituzione di una guarnizione con altra di tipo diverso nell'impianto di processo, ad esempio petrolchimico, può cambiare il grado del centro di pericolo e rendere non adatto il tipo di impianto elettrico presente. Gli impianti a sicurezza devono essere pertanto installati ed eserciti sempre da personale particolarmente addestrato. Va infine ricordato che, anche se l'impianto elettrico è idoneo, il rischio residuo di esplosione non è nullo. Occorre pertanto ridurre l'estensione delle zone pericolose (ad esempio eliminando le sorgenti di emissione, migliorando la ventilazione, ecc.) e nel contempo ridurre al minimo indispensabile l'impianto elettrico nelle zone pericolose. Questo obiettivo, tanto importante quanto difficile, può essere raggiunto solo con una progettazione integrata degli impianti tecnologici, svolta con la collaborazione di tutti i tecnici coinvolti. Diversamente l'elettrotecnico sarà chiamato a risolvere problemi che avrebbero potuto trovare a monte una soluzione più logica, più economica e più sicura. I componenti elettrici racchiusi in custodie a prova d'esplosione Ex d devono essere idonei per l'atmosfera pericolosa prevista (gruppo del gas e classe di temperatura). [ raccordi di bloccaggio hanno la funzione di delimitare il volume della costruzione e di impedire la propagazione della fiamma lungo la conduttura e fenomeni di precompressione da una custodia all'altra, Fig. 27.1. La fig. 27.2 mostra l'installazione di un motore Ex d con raccordo di bloccaggio; il tubo flessibile serve per non trasmettere le vibrazioni del motore al tubo protettivo rigido. Quando si fa uso di cavi multipolari, in alternativa al raccordo di bloccaggio si può utilizzare (salvo casi particolari) un pressacavo Ex d, Fig. 27.3, purché il cavo non abbia spazi liberi tra le anime. Se si utilizzano costruzioni Ex d sigillate in fabbrica, non è necessario né il raccordo di bloccaggio, né il pressacavo; dall'apparecchio fuoriescono i conduttori di alimentazio-

577

Impianti elettrici a sicurezza

L = livello miscela di bloccaggio

dito

a)

b)

Fig. 27.1 - Raccordi di bloccaggio: a) per tubi verticali, tipo GV; b) per tubi orizzontali e verticali, tipo GZ.

0--

(2) Motore Exd

® Scatola morsettiera Ex d CD Riduzione (eventuale) CV Giunto a tre pezzi

Fig. 27.2 - Collegamento motore con raccordo di bloccaggio.

® Raccordo di bloccaggio ® Terminale del tubo flessibile (2) Tubo flessibile

CV Tubo protettivo rigido

578

Fondamenti di

CD MotoreExd

® Scatola morsettiera Ex d ® Riduzione (eventuale) CV Giunto a tre pezzi

® Pressacavo Ex d

o (2) o

Terminale del tubo flessibile Tubo flessibile Tubo protettivo rigido

Fig, 27,3 Collegamento motore con pressacavo Ex d,

a)

b)

Fig. 27.4 Collegamento di un apparecchio di illuminazione con lampada a bulbo: a) con ingresso cavi sigillato in fabbrica; b) con ingresso cavi non sigillato in fabbrica,

elettrici a sicurezza

579

ne che vengono collegati al circuito di alimentazione entro la cassetta di derivazione, Fig, 27.4 a).1 La Fig. 275 mostra l'installazione di un apparecchio d'illuminazione con lampade fluorescenti in esecuzione Ex e (portalampada in esecuzione Ex d).2 Il cavo è posato in aria, e non in un tubo protettivo metallico come per le costruzioni Ex d. Nella variante I il cavo posato in un tubo protettivo, ma soltanto per ragioni di protezione meccanica, essendo la scatola lontana dall'apparecchio. Il testatubo serve ad evitare danneggiamenti al cavo all'uscita dal tubo metallico. Le costruzioni Ex i sono installate in zona pericolosa e collegate alla strumentazione di controllo tramite le barriere di sicurezza (apparecchiatura associata), Fig. 27.6, Se l'apparecchiatura associata è installata in zona pericolosa deve essere in esecuzione Ex, ad esempio Ex d, I dispositivi che non generano più di 1,5 V 0,1 A 25 mW - 20 IlJ non riescono ad innescare un'atmosfera esplosiva, neanche dei gas più facilmente esplodibili. Questi componenti prendono il nome di componenti semplici, sono convenzionalmente ritenuti di categoria ia senza alcuna certificazione (ad esempio, led, fototransistor, termocoppie) . Quando si ha a che fare con le polveri combustibili, il modo più semplice ed efficace di conseguire la sicurezza è di impedire l'ingresso delle polveri nel componente elettrico, È a tal fine prescritto dalla norma un grado di protezione non inferiore a 1P6X (in presenza di polveri non conduttrici è ammesso il grado di protezione IP5X in zona 22)3

27.2 Impianti elettrici nei luoghi a maggior rischio in caso d'incendio In alcuni luoghi, il rischio relativo all'incendio è maggiore rispetto ai luoghi ordinarL Il rischio relativo all'incendio è, come noto, il prodotto della probabilità che si inneschi un incendio per l'entità media del danno prodotto, paL 2.L2. Dove il danno medio è elevato occorre contenere la probabilità che si sviluppi un incendio per ridurre il rischio. È il caso di: luoghi con una elevata densità di affollamento elo elevato tempo di sfollamento, ad esempio locali di pubblico spettacolo, ospedali, carceri, scuole, supermercati, ecc;

t Se i morsetti volantì sooo isolati cOme Il cavo, tutto succede come se continuasse ìl cavo isolato. lo questo caso la cassetta di derivazione diventa una cassetta d'infilaggio e non è necessario che sia certificata Ex d. La cassetta va cioè a far parte del tubo protettivo. per il quale non è richiesta la certificazione Ex d, 2 [n questi casi la costruzione viene anche denominata Ex de, } Si considerano conduttrici le polveri che presentano una resistività minore di I kQ m, Inoltre, la temperatura superficiale assunta dal componente non deve essere tate da innescare la nube esplosiva o lo strato di polvere depositato sul componente stesso, li. tal fine, il costrultor. specifica in targa il valore della massima temperatura superficiale.

580

Fondamenti di sicurezza elettrica

(0 Apparecchio d'iIlumin.

CD Tappo filettato

® Pressacavo

® Cassetta d'infileggio

® Imbocco filettato

@Testatubo

o Staffa reggicassetta

® Tubo portacavo ® Staffa reggitubo CV Cavo CV Gancio di sospensione ® Geffetta reggitubo

Fig. 27.5 Collegamento di apparecchio d'muminazione con lampade tubolari fluorescenti.

ZONA SICURA

ZONA PERICOlOSA

Componenti semplici

Struroontazione sala controllo

Apparecchiatura associata

Apparecchiature a sicurezza intrinseca

Fig. 27.6 - Un sistema a sicurezza intrinseca è composto da: apparecchiature Ex i elo componenti semplici (in zona pericolosa), - apparecchiature associate (in zona sicura), - cavi di collegamento.

581

edifici con strutture combustibili, ad esempio una villetta prefabbricata in legno; luoghi di deposito e/o lavorazione di notevoli quantità di materiale combustibile; si ritengono tali i compartimenti antincendio di classe uguale o superiore a 30. La classe del compartimento indica il tempo, in minuti, per il quale la struttura portante deve resistere all'incendio; la classe dipende dal carico d'incendio specifico e dalla partecipazione dei materiali alla combustione, dalla presenza di sistemi di protezione antincendio, dall'altezza dell'edificio, ecc,1 Tali luoghi sono denominati nelle norme CEI luoghi a maggior rischio in caso d'incendio. È compito del progettista stabilire nel caso specifico se il luogo è a maggior rischio in caso di incendio, tenuto conto delle indicazioni generali e degli esempi forniti dalla norma. Nei luoghi a maggior rischio in caso d'incendio si applicano all'impianto elettrico norme particolari, con il fine di diminuire la probabilità che esso sia causa e/o propagazione di un incendio. Le regole più restrittive riguardano soprattutto le condutture elettriche, perché il cavo può innescare un incendio, oppure propagare un incendio di altra origine da un locale all'altro, essendo l'isolante dei cavi in genere di natura organica e dunque facilmente combustibile. Nei confronti dell'incendio i cavi si distinguono in: cavi non propaganti la fiamma: il singolo cavo sottoposto al becco Bunsen, secondo una determinata procedura di prova, brucia con sviluppo dì fiamma, ma la fiamma si estingue allontanando il becco Bunsen (CEI 20-35); il singolo cavo è quindi autoestinguente, ma perde tale proprietà se installato in fascio; quasi tutti i cavi sono non propaganti la fiamma, come ad esempio un normale cavo in PVC; cavi non propaganti l'incendio: i cavi installati in un fascio verticale di determinate dimensioni viene sottoposto al fuoco, in condizioni di prova determinate: l'incendio non si deve propagare lungo il fascio (CEl 20-22); se i cavi vengono installati in un fascio di dimensioni maggiori di quelle di prova, il fascio potrebbe trasmettere l'incendio e bisogna ricorrere a barriere tagliafiamma; cavi resistenti al fuoco: i cavi (provati secondo CEl 20--36) sottoposti al fuoc9 bruciano ma sono costruiti in modo da continuare a funzionare (norma costruttiva CEr 20-45), oppure sono incombustibili (cavi ad isolamento minerale, CEI20-39); - cavi a basso sviluppo di fumi, gas tossici e corrosivi: i cavi sottoposti al fuoco emettono fumi, gas tossici e corrosivi in quantità ridotta (CEl20-38)2 i Pcr carico d'incendio specifico si intende il potenziale tennico della totalìtà dei materiali combustibili contenuti in uno spazio. riferito all'unità dI superficie lorda (MJ/m2). In passato. il calico d'incendio specifico era espresso in kilogrammi di legna equivalente al metro quadrato. In proposito vedasi TuttoNorrnel 9/2007. pago 14 .;- 17.

2 Tali cavi prendono il nome di cavi LSOH (Low Smoke Zero Halogenì. La manCanza del cloro (un alogeno)

evita la fOlmazione di acido cloridrico e la conseguente corrosione.

582.. -...__. ._---- -..-_. . --

Fondamenti di sicurezza elettrica

_.:...:::.==:.:....::.:.====-:=:=----~

Nei luoghi a maggior rischio in caso d'incendio non sono richiesti sistematicamente cavi non propaganti l'incendio, ma solo in determinati casi, Ad esempio, entro tubi protettivi sotto traccia (isolanti ° metallici) possono essere posati cavi senza alcun particolare requisito nei confronti dell'incendio, Lo stesso dicasi per i cavi posati in canali o tubi metallici con grado di protezione almeno IP4X, Sono richiesti cavi non propaganti l'incendio nei canali con grado di protezione minore di IP4X, o su passerelle metalliche, I cavi resistenti al fuoco sono richiesti nei casi particolari di circuiti che devono continuare a funzionare durante l'incendio, ad esempio per alimentare le pompe antincendio o l'illuminazione di sicurezza di un locale di pubblico spettacolo (limitatamente alla parte esterna allocale stesso), In alternativa, si può proteggere un cavo normale mediante un'adeguata installazione contro l'incendio, ad esempio una conduttura incassata nella muratura (mattoni pieni) per almeno 12 cm (intonaco normale) è da considerare resistente al fuoco per 60 min, I cavi a bassa emissione di fumi, gas tossici e corrosivi vanno impiegati dove tali fumi determinano una perdita di vite umane o di beni culturali, oppure danni economici elevati, ritenuti inaccettabili in base alla valutazione dei rischi condotta, Sono ad esempio impiegati nelle metropolitane e sulle navi, nei locali di pubblico spettacolo, musei uffici con numero di presenti maggiore di cento, ecc, I L'interruttore differenziale con I dn :s; 0,3 A viene utilizzato quale misura di protezione addizionale contro l'innesco dell'incendio non solo nei confronti di correnti verso terra, che possono costituire un temibìle focolaio d'incendio, ma anche per un guasto tra i conduttori di fase che coinvolga anche il conduttore di protezione. Se il guasto non è franco la corrente non è elevata e l'interruttore differenziale apre il circuito prima di un interruttore automatico o di un fusibile, se il guasto tra le fasi coinvolge anche la terra, l! che accade con maggiore probabilità se il conduttore di protezione è costituito dall'involucro del canale metallico portacavi o del tubo protettivo, Quando invece il conduttore di protezione è isolato, la probabilità di provocare l'intervento de Il 'interruttore differenziale è minore; per questo motivo, alcuni preferiscono posare insieme ai cavi non un conduttore di protezione isolato, ma nudo (conduttore di guardia), Inoltre i cavi multipolari utilizzati nei luoghi a maggior rischio in caso d'incendio devono contenere anche il conduttore di protezione, a meno che non siano installati entro un canale isolante con grado di protezione almeno IP4X, oppure posati su una passerella metallièa,

l Non sono necessari cavi LSOH per le linee posate sotto traccIa in strutture nOn combustibili, oppure in tubi o canali metallici con grado di protezione almeno IP4K

a sicurezza

583

L'interruttore differenziale con Idn :s 0,3 A è richiesto a protezione dei circuiti terminali, non di sicurezza, con grado di protezione inferiore a IP4X,1 Nei luoghi a maggior rischio in caso d'incendio per la presenza di sostanze combustibili, i componenti dell'impianto, gli apparecchi d'illuminazione ed i motori devono avere grado di protezione almeno IP4X (il grado di protezione non è richiesto nei eonfronti delle lampade), Il grado di pro~ezione è in questo caso utilizzato per schermare l'impianto elettrico dall'ambiente circostante, nel tentativo di evitare che un arco, scintilla o parte surriscaldata possa innescare le sostanze combustibili presenti. Dove le sostanze combustibili hanno una posizione determinata, la zona a maggior rischio in easo di incendio termina a 1,5 m in pianta, 3 m sopra e 1,5 m sotto la sostanza combustibile,

l Sui circuiti di distribuzione sono ammessi interruttori differenziah da 1 A (anche ritardatì) per penncttere la selettività (oppure un dispositivo di controllo dell'isolamento verso terra nçÌ sistemi IT).

Elettricità

28

585

ELETTRICITÀ STATICA

28.1 Formazione e accumulo delle cariche elettrostatiche I meccanismi di fonnazione delle cariche elettrostatiche sono molteplici e non completa-

mente conosciuti: processi chimici e fisici, effetto dei campi elettrici, espulsione di gas ionizzati, separazione di particelle elettrizzate per gravità, emissione di elettroni per effetto tennoionico e fotoelettrico, ecc.; ma ìl processo di fonnazione delle cariche elettrostatiche più ditluso è quello per contatto-separazione (sfregamento). Come è noto, al contatto tra due corpi di natura diversa le cariche elettriche superficiali interagiscono e si ha un passaggio di cariche elettriche da un corpo all'altro. Durante il distacco, se entrambi i corpi sono buoni conduttori, le cariche separate tendono ad annullarsi attraverso gli ultimi punti di contatto. Ciò non avviene completamente se almeno un corpo è isolante, a causa della difficoltà di movimento delle cariche; sicché dopo il distacco i due corpi presentano cariche superficiali uguali e contrarie. Da notare che la superficie di contatto tra i corpi non è continua, ma fonnata da innumerevoli punti di dimensioni microscopiche e in questi punti ha origine l'elettrizzazione. Contatti successivi avvengono inevitabilmente in punti diversi, e due corpi portati ripetutamente a contatto aumentano la ~arica superficiale, anche fino a 1+2 nC/cm 2 . La quantità di elettricità accumulata dipende da numerosi parametri, quali resistività, costante dielettrica e temperatura dei corpi, pressione e area del contatto, velocità relativa delle superfici, ecc.I Un liquido in movimento lungo una tubazione si elettrizza: la causa è da ricercare ancora nella superficie dì separazione tra liquido e solido. Il liquido generalmente contiene ioni, ma in egual numero e di segno opposto, sicché esso è fondamentalmente neutro. A causa dell'interazione tra le cariche elettriche nell'interfaccia solido-liquido, si stabilisce a conI Piccole variazioni delle condizioni fisico-chimiche possono rendere diverse, dal punto di vista elettrostatico, superfici dello sresso materiale, sì da giustificare la formazione di cariche elettrostatiche anche tra corpi della stessa natura.

p Fondamenti di sicurezza elettrica

deila tubazione un sottile straterello di liquido che trattiene ioni dello stesso segno, in tattoere positivi; I'1 l'IqUi'd" ., o In movimento contiene COSI un eccesso d"I canc h e negative n ge current). Quando il liquido abbandona la tubazione per entrare, ad esempio, in un . . . (stre arn io gli confensce una carICa elettnca. serba to

28.2 pericolosità delle cariche elettrostatiche arica elettrica accumulata su di un corpo può scaricarsi a terra tramite una persona. La c rrente impulsiva di origine elettrostatica non è da considerarsi pericolosa per quanto La co [Oe la folgorazione, ma l'energia può superare la soglia di impulso spiacevole, par. con~e e in casi particolari essere indirettamente causa di infortuni a seguito di movimenti

3.3· ,

. ntrollati del soggetto. Inco 'ca elettrostatica dà origine a un campo elettrico; se l'intensità del campo elettrico La caO l' . . . . . h ,. l'' era la rigidità del ana 100ZIa una scanca, c e puo Innescare una eventua e atmoslera sUPIOsiva di gas o vapori, o addirittura di polveri (l'energia di accensione delle polveri è esp 'b'lrnen1e maggiore di quella dei gas). Perché questo avvenga è necessario che l'enersens~~:la scarica sia maggiore della minima energia di accensione dell'atmosfera esplosiva gla te' tale condizione spesso non è sufficiente. Altri parametri, oltre l'energia di scariprese n ' . dii' " . . fluiscono sulla pro b ab'l' I Ita, d'I accensIOne e atmoslera, qua l'I a d esempio: ca distanza, iO l ., d' d l' I d' fonna, natura e ve oClta I accostamento eg I e ettro I; _ distribuzione dell'energia della scarica nel tempo e nello spazio (tipo di scarica)I favore della sicurezza, l'energia accumulata non dovrebbe comunque superare una fraA della minima energia di accensione dell'atmosfera esplosiva presente nell'ambiente. ZlOne

28.3 Energia elettrostatica accumulata . consideri un corpo conduttore, di capacità C e resistenza R verso terra, soggetto a un SI . d'I carica . e Iettrostatlca . q ne I tempo t. eccanisrno di fonnazlOne rn circuito equivalente di carica può essere schematizzato con un generatore ideale di coril costante I = q It che carica la capacità C in parallelo alla resistenza R, Fig. 28.1 a). rente . . e' il valore istantaneo della tensIOne verso terra, vale la relaZIOne:

Se U

I

Effluvio. scintilla e arco elettrico sono tipi diversi di scarica elettrica, ma legali allo stesso fenomeno fisico: la

, ne di corrente in un gas.

c~n;~~~ è una scarica ramificata, intemUHente, di debole energia;

solo una piccola parte dello spazio tra gli elettrodi

L.e. ,u 'la e Yi~ne messa in gioco solo una frazione dell'energia immagazzinata nel campo elettrostatico; scarica tipi-

è lonl Zza

, , ua corpi lsol 4.6, 4.7,5.3,6.1,6.5,7.1, 7.3, 10.3,10.5,11.2,12.2,3,12.5,29.6 - di sicurezza, 5.3, 15,1,15.2,15.3,15.4, 15.5,16.2.1 nonùnale e nominale verso terra, 5.3 passo USo 10.3,10.5, 12.2.3,29.6 pericolosa, 5.3, 16.2.1 - relè di, 6.6 - sul neutro, 7.4.2, 7.4,1 - totale di terra, 4,6, 12.2.3 Tenuta - alla fiamma, 26.2 alla pressione, 26,2 - dell'isolamento, 9.2.1, 11,2 Terra, vedo impianto di terra, messa a terra Tetanizzazione, 3,2, 3,2.1, 5.5 TN, ved, sistema TN TN-C, vedo sistema 'l'N TN-C-S, ved, sistema TN 'l'N ibrido, vedo si,;tema TN TN-S, vedo sistema 'l'N Tracbng, 9.2,1, 18,2.3 Tragitto (pericolosità de\), 3,2.3, 3.5, 16.5, 17,4,2 Trasformatore d'isolamento, 5.2, 9,3, 16.3, 16.6.2, 16,6.3, 16.6.4, 17.2,2,App. 2 di sicurezza, 15.2, 16.6.2, 16,6.3, 16.6.4, App. 2 - messa a terra del punto di mezzo, 15.2, 19.4 - pericolo di incendio, 1.5,16.9,27.2 TI, ved, sistema TI Tubazioni, vedo acquedotto, gas Tubi protettivi, 5.1 ,3,12.5,15.2,23.4,27.1 Tumori (radioindotti),App. 3 (3.4.2) TV (apparecchi),App. 3 (3,6) Ultravioletto, App. 4 (4.3) Ustioni corrente elettrica, 3.2.4 elettrobisturi, 17.4.2 - fascio laser, App, 4 (4.2) - prese a spina, 18.5.3 Valvola dì tensione, 8.3.2 Ventilazione, 25.3.2, 25.3.3

Indice analitico ......

_,,-~,--

Zona di rispetto (bagni e docce), 16.6.3 Zone pericolose (esplosione) classificazione, 25.2, 25.3, 25.4, 25.5 estensione delle, 25.3.3

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...... 723 :.c==-.

" grado di emissione e ventilazione, 25.3.1, 25.3,2 impianti, 27.1,27.2 " ved, anche costruzioni Ex