Corrente elettrica e corpo umano Il controllo dell’organismo è regolato da segnali elettrici (misurabili: elettrocardiogrammi, elettroencefalogrammi, ecc.). L’attraversamento del corpo umano da parte di correnti anche modeste (piccole energie) può risultare letale. I principali effetti sono: Tetanizzazione (contrazione dei muscoli) Fibrillazione ventricolare Ustioni

Principali effetti letali della corrente Le cause principali di decesso da folgorazione sono: Arresto respiratorio (circa il 6% dei casi), provocato dal blocco dei muscoli incaricati della respirazione. Fibrillazione ventricolare; se una corrente attraversa il cuore, può andare a sovrapporsi ai segnali di comando del muscolo generando contrazioni non coordinate a frequenza elevata (decine di Hz) che comportano l’interruzione della funzione cardiaca. Il fenomeno è irreversibile e porta alla morte in pochi minuti nella stragrande maggioranza dei casi.

Limiti di sicurezza Ai fini della sicurezza deve essere considerata la curva corrente che attraversa il corpo - tempo di esposizione. Studi di elettrofisiologia hanno consentito di determinare sul piano corrente - tempo dei confini, espressi in termini probabilistici, fra le varie zone di pericolosità della corrente elettrica,.

La curva di sicurezza corrente-tempo Andamento qualitativo dei limiti di pericolosità della corrente elettrica.

La curva di sicurezza convenzionale Curva di sicurezza convenzionale assunta in sede internazionale.

Osservazioni Il valore asintotico di corrente sopportabile (circa 30 mA) è già praticamente raggiunto con tempi di esposizione di 5 s. La curva riportata è valida per il percorso della corrente detto “mano-piedi"; per altri tipi di percorsi vengono utilizzati fattori correttivi. In particolare il contatto mano-mano, a parità di corrente, è molto meno pericoloso del contatto mano-piedi; infatti a parità di tempo di esposizione la corrente di contatto mano-mano è 2.5 volte la corrente mano-piedi di pari pericolosità Le correnti continue sono meno pericolose delle alternate e per esse vale una versione differente della curva di sicurezza (correnti più elevate a parità di tempo di esposizione). Le correnti a frequenze più elevate di quella industriale sono meno pericolose, e per esse vengono utilizzati fattori correttivi da applicare alla curva di sicurezza.

Finalità dell’impianto di terra Vincolare (mediante collegamento diretto o impedenza) il potenziale di determinati punti (in generale il centro stella) dei sistemi elettrici esistenti nell’area dell’impianto. Disperdere nel terreno le correnti del sistema elettrico in regime normale e perturbato senza danni per le apparecchiature e senza compromettere la continuità del servizio. Assicurare che le funzioni suddette si svolgano in condizioni di sicurezza per le persone con riferimento al rischio di folgorazione. Disperdere nel terreno le correnti convogliate dagli impianti di protezione contro le scariche atmosferiche.

Resistenza di terra Consideriamo un elettrodo emisferico di raggio r0 ad una distanza dall’elettrodo di ritorno sufficiente da poter considerare il campo di corrente radiale:

Resistenza di terra La resistenza elementare del dispersore (terreno di resistività ) è data da: La resistenza totale di terra RT del dispersore (somma di tutte le resistenze elementari) è data da:

Resistività del terreno Scala qualitativa Resistività [ohm/m] Tipo di terreno Eccez. bassa 10 Argilla Molto bassa 30 Creta Bassa 100 Scisti Media 300 Calcare Alta 1000 Arenaria Molto alta 3000 Ardesia Eccez. alta 10000 Granito

Il potenziale nel terreno Si consideri un circuito con il quale venga fatta circolare nel terreno una certa corrente I tramite due elettrodi A e C (conduttori in intimo contatto con il terreno) che sono detti dispersori. Ipotizziamo inoltre di utilizzare un terzo elettrodo B, posizionandolo ad una generica distanza x dall’elettrodo A, e misurare la tensione esistente fra A e B.

Il potenziale nel terreno Se la distanza fra A e C è elevata rispetto alle dimensioni dei dispersori stessi (almeno cinque volte del diametro del più grande dei due) si individua un tratto del profilo di tensione sostanzialmente orizzontale, a cui può essere attribuito convenzionalmente il potenziale 0 .

Il potenziale nel terreno Rispetto ai riferimenti assunti sarà VAI e VCI, ovvero, chiamando rispettivamente RTA e RTB i coefficienti di proporzionalità che hanno le dimensioni di una resistenza: VA=RTA I VC=RTC I RTA e RTC vengono detti rispettivamente resistenza di terra del dispersore A e resistenza di terra del dispersore C.

Il potenziale nel terreno Consideriamo un elettrodo emisferico di raggio r0 che disperde una corrente I in un terreno di resistività .

Il potenziale nel terreno La caduta di tensione elementare è pari a: Un punto del terreno a distanza r assume, rispetto all’infinito (a potenziale nullo), un potenziale pari a:

Dispersori in parallelo Consideriamo due elettrodi emisferici uguali di raggio r0 collegati in parallelo che disperdono ciascuno una corrente I/2 in un terreno di resistività .

Dispersori in parallelo In base al principio di sovrapposizione degli effetti, ciascuno dei due elettrodi assume un potenziale pari a: La resistenza di terra complessiva è pari a: Se d>> r0 si ha:

Misura della resistenza di terra La misura della resistenza di terra deriva direttamente dalla definizione:

Misura della resistenza di terra La misura della resistenza di terra deve essere fatta distanziando opportunamente i dispersori e la sonda; in pratica la distanza deve essere superiore a 5 volte la dimensione massima del dispersore. La sonda di tensione deve essere posizionata a circa metà della distanza tra i due dispersori; lo spostamento della sonda di qualche metro non deve comportare variazioni apprezzabili della misura.

La curva di sicurezza tensione-tempo I sistemi elettrici sono eserciti a tensione costante; è quindi importante conoscere la pericolosità della corrente in termini tensione-tempo anziché corrente tempo. Occorre quindi innanzitutto identificare: un circuito di riferimento; il percorso della corrente nel corpo umano (mano-piedi).

La curva di sicurezza tensione-tempo Nella figura è riportato il circuito a parametri distribuiti ed il suo equivalente a parametri concentrati visto dai punti A (resistenza equivalente del picchetto di terra) e C (resistenza equivalente del contatto tra corpo umano e terra).

Circuito equivalente di riferimento Tra i punti A e B viene inserito l’equivalente di Thevenin della rete. Tra i punti B e C viene inserita la resistenza equivalente del corpo umano. Poiché RTA e ZTA << RC+RTC, si trascurano nei confronti di queste. Si ipotizza inoltre che la tensione sia costante e pari a quella a vuoto VC0 (ipotesi a favore della sicurezza).

Resistenza del corpo umano Per poter determinare VC occorre conoscere RC+RTC. La resistenza del corpo umano (RC) dipende da numerosi fattori: il percorso della corrente, la tensione (è una resistenza non lineare), il singolo individuo; si conviene quindi di considerare il percorso più pericoloso (mani-piedi) associato a valori di resistenza che non vengono superati dal 5% della popolazione (approccio statistico). Il valore di RTC è estremamente variabile; quindi anche in questo caso occorre fare riferimento a valori convenzionali. In particolare vengono assunti i seguenti valori: RTC= 1000 Ohm per condizioni ordinarie; RTC= 200 Ohm per condizioni particolari.

Curva tensione-tempo La curva di sicurezza tensione-tempo si ottiene considerando: del modello di riferimento del circuito; del valore convenzionale della resistenza del corpo umano; del valore convenzionale della resistenza tra corpo umano e terreno.

Tensioni di passo e tensioni di contatto Con “tensione di passo” si intende la differenza di potenziale misurabile tra due elettrodi immersi nel terreno e disposti alla distanza di 1 metro per effetto di un campo di corrente. Con “tensione di contatto” si intende la differenza di potenziale misurabile tra un elettrodo immerso nel terreno ed un punto all’infinito. Nel seguito si farà riferimento solamente alle tensioni di contatto.

Contatti diretti e indiretti Quando una persona entra in contatto con una parte del circuito normalmente in tensione si ha un contatto diretto (es.: una persona che tocca un filo normalmente in tensione che presenta un difetto di isolamento). Quando una persona entra in contatto con una parte metallica che non dovrebbe essere in tensione si ha un contatto indiretto (es.: una persona che tocca la parte metallica, o massa, di una apparecchiatura che è andata accidentalmente in tensione).

Protezione combinata dai contatti diretti e indiretti (SELV e PELV) SELV (Safety extra-low voltage): il sistema ha tensione nominale non superiore a 50 V, se in c.a. o 120 V se in c.c.; non ha parti connesse a terra ed un isolamento doppio o rinforzato con tutti i sistemi elettrici a tensione superiore . PELV (Protective extra low voltage): come il SELV, ma il sistema ha un punto collegato a terra. In particolari condizioni i sistemi PELV e SELV possono assicurare anche la protezione dai contatti diretti (protezione combinata dai contatti diretti e indiretti)

Protezione dai contatti indiretti mediante interruzione automatica del circuito Per fare una corretta protezione bisogna tener conto dell’intero circuito. La protezione viene effettuata con uno dei 3 seguenti modi: TT TN IT La prima delle due lettere sta ad indicare come viene connesso il neutro nella cabina, mentre la seconda sta ad indicare come vengono connesse le masse

Collegamento di tipo TT Il neutro è collegato direttamente a terra tramite una resistenza RN e le masse degli utilizzatori sono collegate ad un impianto di terra locale, elettricamente indipendente da quello del neutro, tramite una resistenza di terra RT.

Collegamento di tipo TN-C Il neutro è collegato direttamente a terra tramite una resistenza RN e le masse degli utilizzatori sono collegate al neutro che svolge anche le funzioni di conduttore di protezione (PEN = ProtEzione e Neutro).

Collegamento di tipo TN-S Il collegamento a terra delle masse viene ottenuto tramite un conduttore di protezione (PE) separato dal conduttore di neutro (N).

Collegamento di tipo IT Nel caso più frequente il neutro non viene distribuito e le masse degli utilizzatori sono collegate ad un impianto di terra locale tramite una resistenza di terra RT.

Il sistema TT Il sistema TT viene utilizzato quando l’utilizzatore non sia anche proprietario della cabina di trasformazione MT/BT. Il sistema consente infatti di poter dimensionare le protezioni presso l’utente in maniera autonoma dalle caratteristiche del sistema di distribuzione. L’ipotesi di guasto a cui si fa riferimento è quella del cedimento dell’isolamento di un conduttore di fase che entra in contatto, in maniera “franca” o attraverso una resistenza di guasto, con una massa.

Il sistema TT Il sistema cui si fa riferimento è il seguente:

Il sistema TT La relazione che vale ai fini della sicurezza è: Vco=RT Ig Si possono presentare due situazioni: il sistema è progettato per fare in modo che la Vc0 sia non pericolosa qualunque sia il tempo di permanenza (quindi RTIg deve essere inferiore a 50 o 25 V, rispettivamente per le condizioni ordinarie o particolari) la Vc0 è tale da essere pericolosa, se applicata per un tempo elevato all’organismo, e allora occorre fare in modo che essa permanga per un tempo ridotto, idealmente un tempo compatibile con le curve di sicurezza tensione-tempo.

Il sistema TT Applicando il primo criterio si avrebbe: da cui: Nella pratica RN è spesso inferiore ad 1 ohm; per VL=50V, essendo V0 tipicamente uguale a 230 Volt, si otterrebbe una resistenza di terra presso l’utente inferiore a circa 0.3 ohm, valore praticamente irrealizzabile. Come conseguenza occorre quindi effettuare la protezione contro i contatti indiretti mediante interruzione automatica del circuito.

Il sistema TT Ciò significa che la caratteristica di intervento corrente-tempo dell’interruttore deve essere tale da rimanere all’interno della zona A della curva di sicurezza tensione-tempo. Per passare dalla curva di sicurezza corrente-tempo a quella tensione-tempo è sufficiente moltiplicare la corrente per RT.

Il sistema TT In tutti gli impianti utilizzatori sono sempre presenti interruttori magnetotermici (in alcuni casi si trovano anche fusibili) che vengono utilizzati per la protezione del circuito in caso di correnti elevate (alcune volte il valore della corrente nominale). Tali dispositivi non possono essere utilizzati per la protezione contro i contatti indiretti. Infatti, essendo essi progettati sulla base di valori limite di corrente, potrebbero non intervenire in tempo utile qualora la tensione sulla massa superasse il limite di sicurezza (ad esempio un guasto non-franco a terra potrebbe risultare particolarmente pericoloso). Occorre quindi prevedere un tipo di interruttore che funzioni su un principio diverso: l’interruttore differenziale (“salvavita”).

Principio di funzionamento dell’interruttore differenziale Si consideri il circuito riportato in figura (carico monofase) In assenza di guasto si ha: In presenza di guasto si ha invece:

Principio di funzionamento dell’interruttore differenziale E’ quindi sufficiente che si presenti una corrente differenziale anche molto piccola (decine di mA) per provocare l’intervento dell’interruttore. E’ importante osservare che tale corrente è indipendente dalle condizioni di funzionamento del circuito ed in particolare dalla potenza assorbita dai carichi. Ai fini del valore massimo che può assumere la resistenza di terra in caso di un interruttore differenziale da 30 mA si ha

Principio di funzionamento dell’interruttore differenziale Un possibile schema realizzativo di un interruttore differenziale è riportato in figura.

Il sistema TN Nei sistemi TN al centro stella dell’avvolgimento secondario del trasformatore di cabina, collegato a terra, vengono collegati il neutro ed il conduttore di protezione (PE). Il sistema TN che verrà considerato fa riferimento alla configurazione TN-S. L’ipotesi di guasto a cui si fa riferimento è quella del cedimento dell’isolamento di un conduttore di fase che entra in contatto, in maniera “franca” o attraverso una resistenza di guasto, con una massa.

Il sistema TN Il sistema cui si fa riferimento è il seguente:

Il sistema TN Il circuito a parametri concentrati equivalente alla condizione assunta è il seguente: Ipotesi: la c.d.t. nella ZPA sia pari al 20% della Vn; (ZPE+Zf) << (RN+RTC) Ne segue:

Il sistema TN Nel sistema TN il guasto a massa comporta la creazione di un anello di guasto di impedenza modesta; è come se il guasto a massa si modificasse in un corto circuito; ai fini della sicurezza è quindi più agevole utilizzare le protezioni utilizzate per la protezione del circuito (interr. magnetotermici, fusibili, ecc.) Per realizzare una adeguata protezione occorre: fare in modo che VC0 non sia mai pericolosa, e quindi VC0 < 50 o 25 V; ciò comporta elevate sezioni del PEN e quindi costi elevati; fare in modo che il tempo di permanenza della VC0 sia tale da non renderla pericolosa (zona A della caratteristica tensione-tempo); questa soluzione è quella generalmente adottata.

Il sistema TN Per effettuare la verifica si fa riferimento alla condizione, non sempre verificata, di Zf = ZPE. Di conseguenza si ottiene VC0 = 0.4 Vn La protezione dai contatti indiretti nei sistemi TN si realizza quindi verificando che l’impedenza dell’anello di guasto sia coordinata con l’interruttore in modo che la tensione di contatto a vuoto (relazione precedente) sia congruente con la curva di sicurezza. Per una tensione di 230 V il tempo di interruzione è pari a 400 ms in condizioni ordinarie e 200 ms in condizioni particolari.

Il sistema IT Il sistema IT è caratterizzato dal fatto che il neutro in cabina è isolato da terra e che le masse sono collegate a terre locali. L’ipotesi di guasto a cui si fa riferimento è quella del cedimento dell’isolamento di un conduttore di fase che entra in contatto, in maniera “franca” o attraverso una resistenza di guasto, con una massa.

Il sistema IT Il sistema cui si fa riferimento è il seguente:

Il sistema IT La relazione che vale ai fini della sicurezza è: VL > RT Ig Poiché la richiusura del circuito avviene sempre su una impedenza estremamente elevata, la corrente del primo guasto a terra è molto piccola; di conseguenza la relazione di sicurezza sopra riportata è quasi sempre verificata. Questi sistemi si adottano nel caso in cui si voglia avere una elevata continuità di alimentazione; infatti il primo guasto a massa non comporta alcuna discontinuità in quanto il sistema può continuare a funzionare correttamente.

Il sistema IT Per proteggere un sistema IT occorre identificare il primo guasto a massa (tale guasto non comporta infatti alcun deterioramento nel funzionamento del sistema); un secondo guasto, infatti, si trasformerebbe in un guasto fase-fase, annullando quindi i vantaggi derivanti da una maggiore affidabilità

Il sistema IT Per la identificazione del primo guasto si possono utilizzare varie tecniche: utilizzazione di tre lampade utilizzazione di un generatore

Il sistema IT Le tecniche prima viste servono per identificare la presenza di un guasto, ma non riescono a localizzarlo; per la localizzazione esistono diversi metodi: metodo per tentativi; si distacca un carico per volta e si verifica l’isolamento; Misura della corrente introdotta dal sistema di misura dell’isolamento.