LA SICUREZZA ELETTRICA IN BASSA TENSIONE 

Protezione attiva dai contatti indiretti in relazione al sistema di distribuzione (1)

7.     Protezione attiva dai contatti indiretti in relazione al sistema di distribuzione

7.1             Sistemi TT

7.1.1      Circuito equivalente 

La tensione di contatto a vuoto U_C0 diventa uguale alla tensione totale U_T se la persona, sufficientemente lontana dal dispersore, si trova ad un potenziale prossimo allo zero. Essendo questa la condizione più pericolosa che si può verificare, per studiare il problema si può assumere, a favore della sicurezza, la tensione U_T.

 Fig. 7.1 - a) Circuito di guasto a terra in un sistema TT  b) Circuito elettrico equivalente c) Il circuito di guasto si comporta come un generatore di tensione E_eq, essendo R_eq trascurabile rispetto a R_c+R_tc.

La resistenza del conduttore di fase e le impedenze del trasformatore (dell’ordine della decina di ohm) sono trascurabili rispetto alle altre resistenze del circuito di guasto e, applicando il teorema di Thévenin-Norton (₁) tra i punti A e T  (fig. 7.1),  si può ricondurre il circuito di guasto ad un generatore ideale di tensione di f.e.m. (E_eq) avente in serie la sola R_eq:

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;

;

(7.1)

Sempre tra i punti A e T col generatore U₀  cortocircuitato si ottiene:

(7.2)

La R_eq è trascurabile (dell’ordine degli Ohm) rispetto alla resistenza di carico R_c + R_tc (dell’ordine delle migliaia di Ohm) ed inoltre questa approssimazione è senz’altro a favore della sicurezza. Il contatto di una persona (R_c+R_tc)  non modifica in modo sensibile la tensione preesistente. Per assicurare la sicurezza delle persone occorre contenere la tensione sulla massa entro il limite di sicurezza U_L, dovrebbe perciò essere verificata la condizione:

(7.3)

da cui:

(7.4)

La resistenza R_n del neutro è in genere piuttosto bassa e in un sistema trifase 380/220 V con una U_L uguale a 50V  la R_t dovrebbe essere inferiore a circa 0,3 Ohm :

(1) - Data una rete comunque complessa, formata da generatori elettrici e da elementi passivi tutti lineari, ai fini della corrente che circola in un qualsiasi suo tronco (ad esempio R_c + R_tc ) o della tensione ai suoi capi (punti A e T), è sempre possibile, per il principio di Thévenin-Norton, schematizzare la restante rete, di cui il tronco considerato fa parte, con un solo generatore ideale di tensione, la cui forza elettro motrice indicheremo con E_eq(rappresenta la d.d.p. che esiste fra i punti della rete tra i quali vi è il tronco considerato, quando però questo è stato tolto dalla rete - tensione a vuoto tra i punti A e T)  e la cui resistenza in serie con  Req (rappresenta la resistenza vista entro la rete del tronco considerato quando tutti i generatori ideali di tensione sono stati cortocircuitati). In generale il calcolo diE_eqe di R_eq viene eseguito applicando i principi di Kirchhoff.

7.1.1      Caratteristiche della protezione

Non essendo facile contenere la tensione sulla massa entro il limite di sicurezza U_L, perché sarebbero necessari valori di R_t troppo bassi e non potrebbero essere facilmente controllate le eventuali variazioni che la resistenza di terra del neutro potrebbe subire col tempo (Il sistema TT è utilizzato prevalentemente come sistema di distribuzione pubblica e l’utente non conosce il valore della R_n. Si vogliono infatti distinguere i problemi della  sicurezza dell’utente da quelli della rete di distribuzione pubblica in bassa tensione), per conseguire la sicurezza occorre ridurre il tempo di permanenza di tale tensione. Il circuito deve essere interrotto in un tempo tanto più breve quanto maggiore è la tensione sulle masse in modo da soddisfare la curva di sicurezza. Come già si è detto, nell’applicare la curva di sicurezza si può utilizzare la tensione totale U_t anziché la tensione di contatto a vuoto U_C0 proteggendo in questo modo anche una persona in contatto con una massa e un punto all’infinito a potenziale zero (situazione più pericolosa). Gli interruttori automatici aprono il circuito secondo una curva caratteristica tempo-corrente. La corrente di guasto I_g può assumere qualsiasi valore dipendente dalla resistenza R_n, R_t ed R_g (resistenza del guasto sulla massa). Un guasto non franco a terra potrebbe diventare pericoloso se la I_g che circola non fosse in grado di aprire il circuito in un tempo t_i inferiore al tempo t_s corrispondente alla tensione U_t=R_tI_g. Si può quindi affermare che la R_t deve avere un valore coordinato con la caratteristica d’intervento del dispositivo di protezione in modo che la tensione totale sia eliminata in tempi inferiori a quelli previsti dalla curva di sicurezza. A tal proposito la Norma 64-8, in relazione ai sistemi TT, prescrive che: “Per attuare la protezione mediante dispositivi di massima corrente a tempo inverso o dispositivi differenziali deve essere soddisfatta la seguente condizione dove R_t è la resistenza, in ohm, dell’impianto di terra nelle condizioni più sfavorevoli; I è il valore, in ampere, della corrente di intervento in 5 secondi per gli interruttori magnetotermici o per i fusibili o in 1 secondo per gli interruttori differenziali; se l’impianto comprende più derivazioni protette da dispositivi con correnti di intervento diverse, deve essere considerata la corrente di intervento più elevata”.

7.1.1      Protezione con dispositivi di massima corrente

Dalle curve di sicurezza si ricava che per tensioni di 50V (luoghi normali) e 25V (luoghi particolari) un contatto può permanere per un tempo massimo di 5s. Essendo questa la condizioni limite occorre individuare una protezione di massima corrente che abbia una caratteristica tale per cui sia soddisfatta la relazione:

(7.5)

Per correnti superiori ad I_5s le caratteristiche degli interruttori dovrebbero essere in grado di  soddisfare la curva di sicurezza mentre per correnti minori anche se si supera il tempo di 5s se la 7.5 è soddisfatta, le masse non assumono tensioni  (U_L) superiori a  50 V o 25 V e il contatto può permanere per tempi pressoché infiniti. Poiché normalmente un impianto di terra è comune a più masse protette con dispositivi di protezione collegati tra loro in serie o in parallelo, per  proteggersi contro i contatti indiretti,  in caso di dispositivi collegati in serie, nella scelta della corrente da introdurre nella 7.5, può essere considerato il dispositivo che ha la corrente I_5s più bassa mentre in caso di dispositivi collegati in parallelo la maggiore tra le correnti I_5s  (Se a causa di un guasto d’isolamento una massa disperde una corrente di guasto I_g tutte le masse collegate allo stesso impianto di terra assumono la stessa tensione R_tI_g  e quindi, se si vuole rispettare la  relazione la I_5s  in caso di dispositivi in parallelo deve essere la più elevata corrente che determina l’intervento entro 5s). Soddisfare la condizione  con dei normali interruttori  magnetotermici non  è facile. La I_5s in genere varia dalle quattro alle dieci volte la I_n  dell’interruttore e quindi per interruttori con grandi correnti nominali può essere anche molto alta. La R_t per contro deve essere tanto più bassa quanto più è alto il valore di I_5s. Se l’utilizzatore è costituito da un carico di 1 kW  o 20 kW ai fini della protezione delle persone non cambia nulla per cui occorre approntare un impianto di terra che nel caso del secondo carico deve avere, per mantenere la sicurezza dell’impianto, una R_t venti volte più piccola che non per il primo caso: si arriva al paradosso di dover dimensionare l’impianto di terra in base alla potenza dell’impianto da proteggere e non in base alla tensione. Questo si spiega col fatto che gli interruttori di massima corrente sono stati studiati per la protezione dei cavi e non per la protezione dai contatti indiretti.

continua...

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