Dossier tecnico n° 1 Redatto a cura della Attività Bassa Tensione
Indice
1. Introduzione 2
Evoluzione dei bisogni 2
Cause dei guasti d'isolamento 2 Rischi derivanti da un guasto
d'isolamento 2
2. I MCT e la protezione
delle persone 5
Messa al neutro o schema TN 5 Neutro a terra o schema TT 6 Neutro isolato (o impedente)
o schema IT 7
3. I MCT ed i rischi d'incendio e di non disponibilità dell'energia 10
Rischio d'incendio 10
Rischio di non disponibilità
dell'energia 10
4. Influenze della MT sulla BT
nei diversi MCT 12
Il fulmine 12
Le sovratensioni di manovra 12 La scarica MT-massa interna
al trasformatore 12
La scarica MT-BT interna
al trasformatore 13
5. Scelta del MCT ed
apparecchiature relative 15 Sistema TN - "Messa al neutro" 15 Sistema TT - "Neutro a terra" 15 Sistema IT - "Neutro isolato" 16 Protezione del neutro in funzione
del MCT 17
6. Scelta del MCT e conclusioni 19 Metodologia per la scelta del MCT 19
Conclusioni 19
7. Lessico 20
Questo Dossier Tecnico tratta i rischi connessi con i guasti di isolamento relativi alla sicurezza delle persone e dei beni. Esso considera in particolare l'influenza del Modo di Collegamento a Terra (MCT) sulla disponibilità dell'energia elettrica.
Il Dossier presenta i tre MCT definiti dalla norma CEI 64-8 (e dalla IEC 364) ed utilizzati più o meno frequentemente in tutti i paesi.
Ogni MCT, denominato ancora a volte "regime di neutro" o "sistema di neutro", è esaminato sotto l'aspetto della sicurezza (includendo in particolare anche i concetti di manutenibilità e di disponibilità).
Non ci sono cattivi MCT, tutti assicurano la sicurezza delle persone.
Ciascuno di loro offre vantaggi ed inconvenienti: è l'insieme dei bisogni che deve guidare la scelta, al di là delle prescrizioni o delle interdizioni normative e legislative.
Questa pubblicazione continua la serie dei "Dossier tecnici" pubblicata a cura di Nuova Magrini Galileo.
I Dossier Tecnici rappresentano un agile strumento di lavoro frutto del patrimonio di esperienze e competenze aziendali.
La collezione ha lo scopo di fornire informazioni più approfondite ed essere un valido strumento di riferimento nei campi specifici delle apparecchiature elettromeccaniche, dell'elettronica industriale, del trasporto e della distribuzione dell'energia elettrica.
Gli schemi di collegamento a terra in BT
(regimi di neutro)
■ sia di modo differenziale (tra i conduttori attivi) che diviene un corto-circuito;
■ sia di modo comune (tra conduttori attivi e masse o terra), una corrente di guasto -detta di modo comune o omopolare (MT)- circola allora nel conduttore di protezione (PE) e/o nella terra.
I MCT in BT sono essenzialmente interessati dai guasti di modo comune.
La maggior frequenza di questi guasti si verifica al livello degli apparecchi utilizzatori e dei cavi.
Rischi derivanti da un guasto di isolamento
Un guasto di isolamento,
indipendentemente dalla sua causa, presenta dei rischi per:
■ la vita delle persone;
■ la conservazione dei beni;
■ la disponibilità dell'energia elettrica;
tutti in relazione con la sicurezza.
Rischio di elettrizzazione delle persone
Una persona (o un animale) sottoposta ad una tensione elettrica viene elettrizzata.
In funzione dell'importanza dell'elettrizzazione, questa persona può subire:
■ un dolore;
■ una contrazione muscolare;
■ una bruciatura;
■ un arresto cardiaco (è l'elettrocuzione) (rif. fig. 1).
Proteggere l'uomo dagli effetti della corrente elettrica è un obiettivo prioritario, il rischio di elettrizzazione è dunque il primo da prendere in considerazione.
Il pericolo è dovuto sia all'intensità, sia alla durata della corrente che attraversa il corpo umano (in particolare il cuore).
In BT, il valore dell'impedenza dei corpi di cui una componente rilevante è la resistenza della pelle, varia praticamente in funzione delle condizioni ambientali (locali secchi e umidi e locali bagnati).
Per ciascun caso, è stata definita una tensione di sicurezza (tensione di contatto massima ammissibile durante almeno 5 secondi); essa è denominata tensione limite
convenzionale UL dalla norma IEC 479 (fascicolo CEI 1335P).
Evoluzione dei bisogni
Attualmente i tre MCT, nel passato denominati regimi di neutro, sono definiti dalle norme CEI 64-8 ed IEC 364 come:
■ la messa al neutro -TN-;
■ il neutro a terra -TT-;
■ il neutro isolato (o impedente) -IT-.
Questi tre metodi hanno una comune finalità in termini di protezione delle persone e dei beni: il controllo degli effetti dei guasti di isolamento.
Essi sono considerati equivalenti sul piano della sicurezza delle persone contro i contatti indiretti.
Non risulta necessariamente lo stesso per quanto riguarda la sicurezza dell'impianto elettrico di Bassa Tensione per ciò che concerne:
■ la disponibilità di energia;
■ la manutenzione dell'impianto.
Queste grandezze, in qualche modo misurabili, sono oggetto di esigenze sempre più forti nelle unità produttive e negli immobili del terziario.
I sistemi di controllo-comando dei fabbricati (GTF) e di gestione dell'energia elettrica (GTE) giocano un ruolo sempre più importante al livello della gestione e della sicurezza.
Questa evoluzione del bisogno di sicurezza può influenzare grandemente la scelta del MCT.
Si deve ricordare inoltre che le considerazioni sulla continuità di servizio (si pensi ad una rete di distribuzione pubblica esercita correttamente scollegando gli utenti con guasti di isolamento) hanno avuto un ruolo significativo nella definizione dei MCT.
Cause dei guasti di isolamento
Per assicurare la protezione delle persone e la continuità di servizio, i conduttori e le parti in tensione di un impianto elettrico sono "isolati"
dalle masse collegate a terra.
L'isolamento è realizzato mediante:
■ l'impiego di materiali isolanti;
■ l'allontanamento, che richiede opportune distanze di isolamento nei gas (per esempio nell'aria) e opportune linee di fuga (riguardanti le
apparecchiature, per esempio il percorso di contorno di un isolatore).
1. Introduzione
Un isolamento è caratterizzato da tensioni specifiche che, in conformità alle norme, sono applicate alle apparecchiature ed ai prodotti nuovi:
■ tensione di isolamento (valore più elevato della tensione della rete);
■ tensione di tenuta ad impulso (onda 1,2/50 µs);
■ tensione di tenuta a frequenza industriale (2 U + 1000 V per un minuto).
Ad esempio, per un quadro a Bassa Tensione di tipo Prisma,
compatibilmente con gli apparecchi installati all'interno valgono i seguenti valori:
■ tensione di isolamento: 1000 V;
■ tensione di tenuta ad impulso: 12 kV.
All'atto della messa in servizio di un impianto nuovo, realizzato a regola d'arte utilizzando prodotti costruiti in conformità alle norme, il rischio di guasti di isolamento è molto basso;
con l'invecchiamento dell'impianto, questo rischio aumenta.
Infatti, l'aumento del rischio deriva da diverse aggressioni che sono all'origine dei guasti di isolamento, tra queste, a titolo d'esempio:
■ durante l'installazione:
❑ il deterioramento meccanico della guaina isolante di un cavo,
■ durante l'esercizio:
❑ la presenza di polveri più o meno conduttrici,
❑ l'invecchiamento termico degli isolanti dovuto ad una temperatura eccessiva, che ha per origine:
- il clima,
- un numero di cavi eccessivo in un condotto o in un particolare percorso,
- un quadro mal ventilato,
- la presenza di armoniche,
- le sovracorrenti...
❑ le forze elettrodinamiche che si sviluppano in occasione di un corto-circuito e che possono danneggiare un cavo o diminuire una distanza di isolamento,
❑ le sovratensioni di manovra o di origine atmosferica,
❑ le sovratensioni a 50 Hz risultanti da un guasto di isolamento in MT.
È generalmente una combinazione di queste cause primarie che porta ad un guasto di isolamento.
Questo può essere:
Le norme CEI 64-8 ed IEC 364 precisano che, se la tensione di contatto (Uc) rischia di superare la tensione UL, la durata di applicazione della tensione di guasto deve essere limitata dall'intervento dei dispositivi di protezione (rif. fig. 2).
Rischio di incendio
Questo rischio, quando si concretizza, può avere conseguenze drammatiche per le persone ed i beni.
Un buon numero di incendi ha per origine un riscaldamento rilevante e puntuale o un arco elettrico provocati da guasti di isolamento.
Il rischio è tanto più rilevante quanto più la corrente di guasto è elevata.
Esso è inoltre funzione del grado di rischio di incendio o esplosione dei locali o degli impianti.
Rischio di non disponibilità dell'energia
Il controllo di questo tipo di rischio assume sempre maggiore importanza.
In effetti, se per eliminare il guasto l'alimentazione della parte guasta viene interrotta automaticamente, si possono verificare:
■ un rischio per le persone, come ad esempio:
❑ mancanza imprevista dell'illuminazione,
❑ messa fuori servizio di apparecchiature utili ai fini della sicurezza;
■ un rischio economico legato alla perdita di produzione. Questo rischio deve essere particolarmente controllato nelle industrie caratterizzate
da processi produttivi per i quali il riavviamento può essere lungo e costoso.
Inoltre, se la corrente di guasto è elevata:
■ le distruzioni, nell'impianto o negli apparecchi utilizzatori, possono essere rilevanti e possono far aumentare i costi ed i tempi di riparazione;
■ la circolazione di forti correnti di guasto di modo comune (tra rete e terra) può anche disturbare alcune apparecchiature sensibili, soprattutto se queste fanno parte di un sistema a "correnti deboli" con dei collegamenti galvanici.
Infine, all'atto della messa fuori tensione, l'apparizione di sovratensioni e/o fenomeni di irraggiamento
elettromagnetico possono comportare malfunzionamenti oppure degrado di apparecchiature sensibili.
0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 mA 10
20 50 100 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 ms
durata del passaggio di corrente
a b c1 c2 c3
1 2 3 4
corrente passante per il corpo zona 1 : percezione
zona 2 : forte dolore
zona 3 : contrazioni muscolari
zona 4 : rischio di fibrillazione ventricolare (arresto cardiaco) c2 : probabilita 5 %
c3 : probabilita > 50 %
■ locali o ambienti secchi o umidi: UL≤ 50 V
tensione di contatto presunta (V) tempi di interruzione massimi del dispositivo di protezione (s)
corrente alternata corrente continua
< 50 5 5
50 5 5
75 0,60 5
90 0,45 5
120 0,34 5
150 0,27 1
220 0,17 0,40
280 0,12 0,30
350 0,08 0,20
500 0,04 0,10
■ locali o ambienti bagnati: UL≤ 25 V
tensione di contatto presunta (V) tempi di interruzione massimi del dispositivo di protezione (s)
corrente alternata corrente continua
25 5 5
50 0,48 5
75 0,30 2
90 0,25 0,80
110 0,18 0,50
150 0,10 0,25
220 0,05 0,06
280 0,02 0,02
fig. 1: zone tempo/corrente degli effetti della corrente alternata (da 15 a 100 Hz) sulle persone secondo IEC 479-1.
fig. 2: durata massima di permanenza della tensione di contatto secondo la norma IEC 364.
Contatti diretti ed indiretti Prima di incominciare lo studio dei MCT, è utile fare un richiamo sull'elettrizzazione dovuta a contatti diretti ed indiretti.
■ contatto diretto e misure di protezione
Si tratta di contatto accidentale di persone con un conduttore attivo (fase o neutro) o una parte conduttrice normalmente in tensione (rif. fig. 3a).
Nel caso in cui il rischio sia molto elevato, la soluzione del problema consiste nel distribuire l'elettricità con una tensione non pericolosa, in pratica una tensione minore o uguale alla tensione di sicurezza.
Si tratta dell'impiego di sistemi a bassissima tensione di sicurezza (sistemi SELV o PELV).
In BT (230/400 V), le misure di protezione consistono nel mettere queste parti attive fuori dalla portata di eventuali contatti di persone o nell'impedire il contatto mediante l'isolamento delle parti attive oppure mediante l'interposizione di involucri o barriere.
Una misura complementare contro i contatti diretti consiste nell'utilizzare Dispositivi Differenziali a corrente Residua (DDR) istantanei con corrente differenziale nominale d'intervento non superiore a 30 mA.
Nota: Questa misura è necessaria in tutti i casi in cui la realizzazione del MCT a valle non risulta
controllabile. In particolare la norma CEI 64-8 prevede obbligatoriamente questo tipo di protezione per le prese di corrente dei campeggi e per impianti particolari (ad esempio nei cantieri).
Le misure di protezione da attuare per la protezione contro i contatti diretti sono completamente indipendenti dal MCT.
■ contatto indiretto, misure di protezione e di prevenzione Il contatto di una persona
con delle masse metalliche messe accidentalmente in tensione è chiamato contatto indiretto (rif. fig. 3b).
Questa messa in tensione accidentale deriva da un guasto di isolamento.
La corrente di guasto che circola provoca una differenza di potenziale tra la massa dell'apparecchio utilizzatore e la terra: si ha dunque l'apparizione di una tensione di guasto (di contatto) che risulta pericolosa se il suo valore è superiore a quello della tensione UL.
A fronte di questo rischio, le norme degli impianti elettrici -IEC 364 a livello internazionale e CEI 64-8 a livello italiano (queste norme sono molto simili nella forma e nel contenuto)- hanno ufficializzato tre Modi di Collegamento a Terra (MCT) e definito le regole di installazione e di protezione corrispondenti.
Le misure di protezione contro i contatti indiretti si basano su tre principi fondamentali:
■ la messa a terra delle masse degli apparecchi utilizzatori e degli altri componenti elettrici per evitare che un guasto di isolamento diventi l'equivalente di un contatto diretto;
■ l'equipotenzialità delle masse simultaneamente accessibili.
L'interconnessione di queste masse contribuisce efficacemente alla riduzione della tensione di contatto.
L'equipotenzialità si realizza mediante il conduttore di protezione (PE) che collega tutte le masse dei componenti elettrici all'interno di un fabbricato o di un impianto, eventualmente completata da collegamenti
equipotenziali supplementari (rif. fig. 4).
Attenzione: l'equipotenzialità può non essere totale in tutti i punti dell'impianto;
in ragione di ciò per lo studio dei MCT e delle protezioni associate, l'ipotesi assunta dai normalizzatori (Ug=Uc) viene applicata poiché Uc è al massimo uguale a Ug.
❑ Ug = tensione detta di guasto (di contatto presunta), riferita alla terra profonda, della massa di un componente elettrico interessato da un guasto di isolamento,
❑ Uc = tensione di contatto dipendente dal potenziale Ug e dal riferimento di potenziale della persona esposta al rischio, generalmente il suolo.
■ la gestione del rischio elettrico:
❑ questa gestione è ottimizzata mediante la prevenzione.
Per esempio, misurando il livello di isolamento di un apparecchio prima della sua messa in tensione o mediante il rilevamento del guasto basato sulla ricerca sotto tensione in un impianto isolato da terra (sistema IT),
❑ se il difetto di isolamento si verifica e produce una tensione di guasto pericolosa, bisogna eliminarlo disalimentando automaticamente la parte di impianto dove si è prodotto il guasto. Il modo in cui si sopprime il rischio dipende allora dal MCT.
fig. 3: contatti diretti e indiretti.
3
Ig Uc
Uc f a) contatto diretto
b) contatto indiretto
fig. 4: equipotenzialità in un immobile.
riscaldamento
conduttore principale di protezione derivazioni
individuali (PE)
ferri di armatura
barretta di misura gas
conduttore di terra anello esterno
alla fondazione acqua
2. I MCT e la protezione delle persone
In questo capitolo, si evidenziano i rischi di elettrizzazione e di elettrocuzione per i diversi Modi di Collegamento a Terra, come definiti dal Comitato Elettrotecnico
Internazionale nella norma IEC 364.
Il MCT in BT caratterizza le modalità di collegamento a terra del secondario del trasformatore MT/BT e le modalità della messa a terra delle masse dell'impianto.
L'identificazione dei tipi di schema è così definita per mezzo di due lettere:
■ la prima per il collegamento del neutro del trasformatore (2 casi possibili):
❑ T per "collegato" a terra,
❑ I per "isolato" da terra,
■ la seconda per il tipo di collegamento delle masse degli apparecchi utilizzatori (2 casi possibili):
❑ T per "collegato direttamente" a terra,
❑ N per "collegato al neutro" all'origine dell'impianto, il quale è a sua volta collegato a terra (rif. fig. 5).
La combinazione di queste due lettere consente tre configurazioni possibili:
neutro del massa
trasformatore
■ se T → T oppure N
■ se I → T
in definitiva TT, TN e IT.
Nota 1:
Lo schema TN, secondo le norme IEC 364 e CEI 64-8, comprende diversi sottoschemi:
■ TN-C: se il conduttore di neutro N ed il conduttore di protezione PE sono accumunati (PEN);
■ TN-S: se i conduttori N e PE sono distinti;
■ TN-C-S: impiego di un TN-S a valle di un TN-C (l'inverso è proibito).
Nota 2:
Ciascun MCT si può applicare ad un impianto elettrico di BT, nel suo insieme ma non è escluso che diversi MCT possano coesistere in uno stesso impianto, si veda a titolo di esempio la fig. 6.
Nota 3:
In alcuni paesi, è consuetudine
identificare la Modalità di Collegamento tra i vari dispersori di terra dell'impianto con una lettera supplementare alla sigla dell'MCT (rif. fig. 7).
Esaminiamo come realizzare in ciascun caso la protezione delle persone.
N
T
N
3
T 3
I
N 3
N N
3
fig. 5: modi di collegamento a terra del neutro del trasformatore e delle masse degli apparecchi utilizzatori.
PEN
TN-C TN-S TT
N
N
PE PE
IT PE
3
N
3
N
fig. 6: esempio di coesistenza tra i diversi MCT.
lettera terra di cabina terra del neutro terra delle masse
supplementare MT/BT BT di utilizzazione BT
R (collegate) ■ ■ ■
N (del neutro) ■ ■ ❑
S (separate) ❑ ❑ ❑
(■ = interconnessa; ❑ = indipendente)
fig. 7: collegamento dei dispersori di terra BT con quello della cabina di trasformazione MT/BT.
Messa al neutro o schema TN
In presenza di guasto di isolamento verso terra, la corrente di guasto Ig è limitata soltanto dall'impedenza dei cavi dell'anello di guasto (rif. fig. 8).
Ig U
RF Rg RPE
= + +
0 1
Per una partenza, considerando che la resistenza del punto di guasto sia Rg≈0:
Ig U
RF RPE
= ⋅
+ 0 8 0
1
,
In effetti, in occasione di un corto-circuito, si ammette che le impedenze a monte della partenza considerata provochino una caduta di tensione del 20% sulla tensione di fase U0, che è la tensione nominale tra la fase e la terra: da ciò deriva il coefficiente 0,8.
Ig determina dunque una tensione di guasto riferita alla terra:
Ug=RPE•Ig cioé:
Ug U R
R R
PE
F PE
= ⋅ ⋅
0 8 0 +
1
,
corrente di valore Ia:
L U S
m Ia
F max
,
= , ⋅ ⋅
⋅ ⋅ +( )⋅
0 8
1 5 1
0
ρ
■ Lmax: lunghezza massima in metri;
■ U0: tensione di fase (230 V per una rete trifase a 400 V);
■ρ: resistività dei conduttori alla temperatura di 20°C. Il coefficente 1,5 tiene conto dell'aumento di temperatura del conduttore durante il corto-circuito;
■ Ia: corrente di intervento del DPCC:
❑ per un interruttore Ia=Im (Im: corrente di intervento dello sganciatore
magnetico o corto ritardo),
❑ per un fusibile, corrente tale per cui il tempo totale di interruzione del fusibile (tempo di prearco + tempo d'arco) sia conforme alla norma (rif. fig. 9).
■ m S S
F PE
=
Se la linea è di lunghezza superiore a Lmax e non si desidera aumentare la sua sezione, si può operare in diverse direzioni:
■ diminuire Ia (quando il DPCC ammette la regolazione della soglia di intervento e quando la diminuzione di Ia consente comunque di superare i transitori di normale funzionamento del carico);
■ aumentare la sezione del conduttore di protezione SPE;
■ utilizzare un Dispositivo Differenziale a corrente Residua (DDR).
Neutro a terra o schema TT
In presenza di un guasto di isolamento, la corrente di guasto a terra Ig
(rif. fig. 10) è essenzialmente limitata dalle resistenze di terra (i dispersori di messa a terra del neutro e di messa a terra delle masse sono nettamente separati).
Considerando ancora una volta valida l'ipotesi per cui Rg=0, la corrente di guasto è:
Ig U
RA RB
≈ +0
Questa corrente di guasto genera una tensione di guasto tra i capi della resistenza di terra degli utilizzatori:
Ug=RA•Ig oppure Ug U R
R R
A
A B
= ⋅
+
0
Essendo le resistenze di terra di valore non molto elevato e dello stesso ordine di grandezza (≅ 10 Ω), questa tensione, dell'ordine di U0/2, è pericolosa;
è quindi obbligatorio prevedere una interruzione automatica del circuito interessato dal guasto (rif. fig. 10).
Realizzazione
La corrente di guasto al di sopra della quale si ha la condizione di rischio (Ig U
R
L A
0= ) è largamente inferiore alle regolazioni possibili per i dispositivi di protezione a massima corrente;
è perciò necessario installare un DDR almeno in testa all'impianto.
Per migliorare la disponibilità dell'energia elettrica, l'utilizzo di più DDR permette di realizzare una
fig. 8: corrente e tensione di guasto nel sistema TN.
Per le reti a 230/400 V, questa tensione (dell'ordine di U0/2 se RPE=RF) è pericolosa, essendo superiore alla tensione limite di sicurezza anche in ambiente secco (UL=50 V).
È allora necessario assicurare la messa fuori tensione automatica ed immediata dell'impianto o della parte di impianto interessata dal guasto (rif. fig. 9).
Essendo il guasto di isolamento paragonabile ad un corto-circuito, l'interruzione del circuito può essere effettuata mediante il Dispositivo di Protezione contro i Corto-Circuiti (DPCC), con un tempo massimo di interruzione specificato in funzione di UL.
Realizzazione
Per essere sicuri che la protezione sia efficace, bisogna che,
indipendentemente dal punto dove si può verificare il guasto, la corrente Ig sia superiore alla soglia di funzionamento della protezione Ia (Ig > Ia). Questa condizione deve essere verificata nella fase di progetto dell'impianto mediante il calcolo delle correnti di guasto, ripetendo
l'operazione per tutti i circuiti dell'impianto. Un percorso comune dei conduttori di protezione (PE) e dei conduttori attivi facilita questo calcolo ed è raccomandato dalle norme (CEI 64-8 art. 544.1).
Per garantire questa condizione, un diverso approccio consiste nell'imporre un valore massimo di impedenza agli anelli di guasto in funzione del tipo e del calibro dei DPCC scelti (rif. norma inglese BS 7671). Un tale procedimento può portare ad aumentare la sezione dei conduttori attivi e/o del conduttore di protezione.
Un altro modo di verificare che il DPCC assicuri la protezione delle persone è quello di calcolare la lunghezza massima che ciascuna partenza non dovrà superare per una soglia di protezione prefissata.
Per calcolare Ig e Lmax, si possono utilizzare tre metodi semplici:
■ il metodo delle impedenze;
■ il metodo della composizione;
■ il metodo convenzionale (suggerito dalla norma CEI 64-8 art. 533.3).
Quest'ultimo fornisce l'equazione:
Ig U
Z
U
R R
U S
F PE m L
= ⋅ = ⋅ F
+ = ⋅ ⋅
⋅ ⋅ +( )⋅
0 8 0 8 0 8
1 5 1
0 0 0
, , ,
, ρ Per garantire che la protezione assolva correttamente la sua funzione,
è necessario che Ia<Ig, da cui l'espressione di Lmax, lunghezza massima consentita dalla protezione avente per soglia di intervento la
Ug
Rg N
A
B C
D PE
Ig
Ug ≈0,8 .U0
2 se RPE=RF e Rg=0 Ig= U0
RAB+Rg+RCD ➞ 0,8 .U0 RF+RPE
selettività di intervento in tempo e corrente.
Tutti questi DDR avranno una soglia di intervento nominale I∆n inferiore a Ig0.
La messa fuori tensione per intervento del DDR si deve effettuare
istantaneamente, ma può essere accettato un tempo di intervento di un secondo per consentire un intervento selettivo dei DDR.
È significativo notare che la protezione mediante DDR:
■ è indipendente dalla lunghezza dei cavi;
■ consente l'impiego di dispersori di terra separati RA anche per lo stesso impianto.
Neutro isolato (o impedente) o schema IT
Il neutro è isolato, non collegato a terra.
I dispersori di terra delle masse sono normalmente interconnessi come avviene per i MCT TN e (generalmente) TT.
■ In funzionamento normale (senza guasto di isolamento), la rete è messa a terra dall'impedenza capacitiva della rete stessa.
In pratica, l'impedenza naturale capacitiva a terra di un cavo trifase è caratterizzata dai valori tipici:
❑ C=1 µF / km;
❑ R=10 MΩ•km;
che danno (a 50 Hz) per cavi di un chilometro di lunghezza:
❑ ZcF=1 / j • C • ω = 3 200 Ω
❑ ZrF= RF = 10 MΩ
per cui risulta ZF≅ZcF= 3 200 Ω Nota: la capacità della rete aumenta con la sua estensione, mentre la resistenza di isolamento diminuisce.
Per fissare bene il potenziale di una rete IT rispetto alla terra è consigliato, soprattutto se l'estensione della rete è modesta, di installare un'impedenza (Zn≅1 500 Ω) tra il centro stella del trasformatore e la terra... è lo schema IT a neutro impedente.
■ comportamento al primo guasto
❑ neutro isolato
La corrente di guasto si stabilisce come segue (valore massimo in caso di guasto franco e neutro non distribuito):
Id=Ic1+Ic2, somma vettoriale con:
Ic1= j • CF • ω • V13 e Ic2= j • CF • ω • V23 , per cui:
Id=3 U0 • CF • ω
Per una rete a 230/400 V con un chilometro di sviluppo lineare, la tensione di guasto sarà uguale a:
Ug=RT•Id,
in pratica circa 0,7 V se RT=10 Ω e se (come avviene in pratica) il valore della resistenza del PE risulta trascurabile rispetto a RT.
Con l'aumentare dello sviluppo lineare della rete, la tensione Ug aumenta ma non risulta normalmente pericolosa (il limite imposto dalla norma CEI 64-8 per Ug è di 50 V), l'impianto può dunque restare in servizio.
Se il neutro è distribuito, lo
spostamento del potenziale del neutro rispetto alla terra aggiunge una corrente
IcN=U0 • CF • ω, cosicché risulta:
Id=4 U0• CF • ω (rif. fig. 12)
❑ neutro impedente:
Corrente di primo guasto (neutro non distribuito):
con 1 1
Zeq= Zn+ ⋅3j CF⋅ ω La tensione di guasto corrispondente risulta bassa e non pericolosa, l'impianto può restare in servizio.
Continuare il servizio senza pericolo è molto interessante, ma è necessario:
- sapere che c'é un guasto;
- ricercarlo rapidamente ed eliminarlo prima che si possa presentare un secondo guasto.
Per rispondere a questi bisogni:
- il guasto è segnalato da un
Controllore Permanente di Isolamento (CPI), che sorveglia tutti i conduttori attivi, compreso il neutro (la norma CEI 64-8 impone l'installazione del CPI),
- la ricerca del punto di guasto è realizzata mediante localizzatori di guasto;
■ comportamento al secondo guasto Quando compare un secondo guasto mentre il primo non è ancora stato eliminato, si possono verificare tre casi:
Ug N
PE
RB RA
Ig
Ig= U0 RA+RB
Ug=U0⋅ RA RA+RB
fig. 10: corrente e tensione di guasto nel sistema TT.
resitenza massima del dispersore di terra RA
UL 50 V 25 V
3 A 16 Ω 8 Ω
1 A 50 Ω 25 Ω
500 mA 100 Ω 50 Ω
300 mA 166 Ω 83 Ω
30 mA 1666 Ω 833 Ω
fig. 11: sistema -TT- limite superiore della resistenza del dispersore di terra delle masse da non superare in funzione della sensibilità dei DDR e della tensione limite UL, [I∆n=f(RA)].
U0 (V) tempo di interruzione tempo di interruzione tensione fase/neutro (secondi) UL=50 V (secondi) UL=25 V
127 0,8 0,35
230 0,4 0,2
400 0,2 0,05
> 400 0,1 0,02
fig. 9: tempi di interruzione nel sistema TN (rif. IEC 364 e CEI 64-8, tabelle 41A e 48A).
I n U R
L A
∆ ≤
Id U
= Zeq0
❑ 1) il guasto interessa lo stesso conduttore attivo (fase o neutro):
non succede niente e l'impianto può restare in servizio;
❑ 2) il guasto interessa due conduttori attivi diversi con tutte le masse interconnesse collettivamente da un conduttore di protezione: il doppio guasto è un corto-circuito (attraverso il PE).
Il rischio di elettrizzazione è simile a quello incontrato con il sistema TN.
Le condizioni più sfavorevoli per i DPCC (Ig più debole) si ottengono nel caso in cui i due guasti si
producono su partenze aventi le stesse caratteristiche (sezioni-lunghezze) (rif.
fig. 13).
I DPCC devono rispettare le relazioni:
- se il neutro non è distribuito:
Ia U
≤ ⋅ Zs⋅
⋅
0 8 3
2 , 0
- se il neutro è distribuito (da notare che la norma CEI 64-8 raccomanda di non distribuire il neutro nei sistemi IT), considerando che uno dei due conduttori in condizioni di guasto sia il neutro:
Ia U
≤ Z s⋅
⋅ 0 8 2
, 0
'
(Zs e Z's sono i valori dell'impedenza del circuito di guasto comprendenti rispettivamente il conduttore di fase o di neutro ed in entrambi i casi il ritorno attraverso il PE).
È da rilevare che, nel caso in cui uno dei due guasti sia sul neutro, la corrente e la tensione di guasto sono dimezzati rispetto al sistema TN.
Questo ha spinto i normalizzatori ad autorizzare tempi massimi di intervento dei DPCC più lunghi (rif. fig. 14).
Come nel sistema TN, la protezione mediante DPCC non è consentita che per delle lunghezze massime di cavi:
- neutro non distribuito:
L U S
m Ia
F max
,
= ⋅ , ⋅ ⋅
⋅ ⋅ +( )⋅
3 2
0 8
1 5 1
0
ρ
- neutro distribuito:
L U S
m Ia
N max
,
, '
= ⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅ +( )⋅
1 2
0 8
1 5 1
0
ρ
In queste formule, il significato dei vari termini è analogo a quello definito per il sistema TN; si noti che il valore di m' è dato dal rapporto tra la sezione del neutro e quella del PE.
❑ 3) il guasto interessa due conduttori attivi diversi, ma tutte le masse non sono interconnesse.
Per le masse collegate a terra
individualmente o per gruppi (la norma
fig. 13: corrente di secondo guasto nel sistema IT (con neutro distribuito) e partenze interessate di medesima sezione e medesima lunghezza.
N
Ig
RT
RPE RF RPE RF
Ig
Ug Ug
3 2 1 N PE 0,8 Uo
Ig≈ 0, 8⋅U0
2⋅(RPE+RF) Ug≈ 0,84⋅U0
fig. 12: corrente di primo guasto di isolamento nel sistema IT.
N
Id
Id Id
RT
Id
Ug controllore
permanente di isolamento (CPI)
limitatore di
sovratensione
3 2 1 N PE
CF
IcN Ic1 Ic2 CF CF CF
V1 V2
V2 3 V1 3
V3
IcN
Id
Ic2
Ic1
Ug≈RT•Id
CEI 64-8 lo consente ma lo sconsiglia, raccomandando che le masse siano collegate ad un impianto di terra unico), ciascun circuito o ciascun gruppo di circuiti deve essere protetto da un DDR.
Infatti, in caso di guasto di isolamento a livello di gruppi collegati a due diversi impianti di terra, il comportamento del sistema rispetto ai guasti di terra (Ig, Ug) è analogo a quello di un sistema TT (la corrente di guasto passa attraverso la terra).
La protezione delle persone contro i contatti indiretti è allora assicurata rispettando la stessa relazione.
I n U R
L A
∆ ≤
secondo la tabella della fig. 11.
Si noti tuttavia che, per le masse collegate ad un unico dispersore e protette collettivamente da un DDR, si deve realizzare la protezione
individuale con DPCC, in analogia a quanto si prevede nei sistemi TN.
Nota: per proteggere una rete BT isolata da terra (IT) contro le sovratensioni, dovute ad esempio a scariche nel trasformatore MT/BT, contatti accidentali con una rete a
Ig Ug Lmax continuità di servizio
TN m U
⋅ ⋅m + 0 8 1
, 0 0 8
1 5 1
, 0
,
⋅ ⋅
⋅ ⋅ +ρ (U m IaS)F⋅ selettività verticale
TT U
RA RB
0
+
U R
R R
A
A B
0⋅
+ nessun limite selettività verticale
IT 1° guasto < 1 A << UL nessuna interruzione
≤ ⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅ +( )⋅
3 2
0 8
1 5 1
, 0
,
U S
m L
F
ρ ≤ ⋅ ⋅ ⋅
+
m U
m 3 2
0 8 1
, 0 3
2 0 8
1 5 1
⋅ ⋅ 0⋅
⋅ ⋅ +, ( )⋅
,
U S
m Ia
F
ρ selettività verticale
≤ ⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅ +( )⋅
1 2
0 8
1 5 1
, 0
, '
U S
m L
N
ρ ≤ ⋅ ⋅
+
m U
m
' '
, 2
0 8 1
0 1
2 0 8
1 5 1
⋅ ⋅ 0⋅
⋅ ⋅ +, ( )⋅
, '
U S
m Ia
N
ρ selettività verticale
Si ricorda che:
■ ρ = 0,018 Ω . mm2/m per Cu (0,027 per AI);
■m S S
F PE
= ;
■m S S
N PE
'= ;
fig. 15: grandezze caratteristiche dei MCT.
■ la sezione di PE, generalmente uguale alla sezione delle fasi (per condutture di piccola sezione), può essere uguale alla metà della sezione delle fasi quando questa supera i 35 mm2... ciò aumenta Ug in TN e IT.
U0/U (V) UL=50 V UL=25 V
U0: tensione fase/neutro tempi di interruzione (secondi) tempi di interruzione (secondi)
U: tensione tra le fasi neutro non distribuito neutro distribuito neutro non distribuito neutro distribuito
127/200 0,8 5 0,4 1,00
230/400 0,4 0,8 0,2 0,5
400/690 0,2 0,4 0,06 0,2
580/1000 0,1 0,2 0,02 0,08
fig. 14: tempi di interruzione massimi specificati nel sistema IT (secondo IEC 364 e CEI 64-8, tabelle 41B e 48A).
doppio guasto con neutro doppio guasto tra le fasi
tensione più elevata oppure a
fulminazioni sulla rete MT, è opportuna l'installazione di un limitatore di sovratensione (richiesto
espressamente in Italia dal DPR 547) tra il centro stella dell'avvolgimento di BT del trasformatore e la terra (RT) (rif.fig.12).
Al fine di avere una panoramica sintetica delle grandezze che caratterizzano i differenti MCT riguardo alla protezione delle persone, le principali formule sono raccolte nella tabella di fig. 15.
0 8
1 5 1
, 0
,
⋅ ⋅
⋅ ⋅ +ρ (U m LS)F⋅
3. I MCT ed i rischi d'incendio e di non disponibilità dell'energia
Rischio d'incendio
È stato dimostrato e poi accettato dai normalizzatori che un contatto puntuale tra un conduttore ed una massa può provocare un incendio, in ambienti particolarmente sensibili, quando la corrente di guasto supera i 500 mA.
É dunque opportuno considerare con particolare attenzione:
■ ambienti a rischio elevato: impianti petrolchimici, strutture adibite ad uso agricolo o zootecnico;
■ ambienti a rischio medio, ma dove le conseguenze possono essere molto gravi: immobili di grande altezza, luoghi di spettacolo o trattenimento pubblico...
Con il neutro isolato il rischio
"incendio":
■ è molto basso al primo guasto;
■ è pari a quello del sistema TN al secondo guasto.
Per i sistemi TT e soprattutto TN, la corrente di guasto è pericolosa in considerazione della potenza sviluppata (P=Rg•Ig2):
■ in TT si ha: 5 A < Ig < 50 A;
■ in TN si ha: 1 kA < Ig < 100 kA.
La potenza sviluppata nel punto di guasto è considerevole, soprattutto nel sistema TN. Conviene dunque agire già al manifestarsi dei più bassi valori di corrente ed il più rapidamente possibile per limitare l'energia sviluppata
Rg i⋅ ⋅dt
∫ 2 .
L'opportuna protezione è realizzata da un DDR ad intervento istantaneo con soglia ≤ 500 mA, indipendentemente dal MCT.
È interessante notare che il sistema TN-C non è ammesso dalla norma CEI 64-8 quando si ha rischio di incendio; in tal caso, essendo i conduttori di neutro e PE accomunati, non è possibile il corretto
funzionamento dei DDR.
Rischio di non disponibilità dell'energia
Il controllo di questo rischio è importante per l'utilizzatore (gestore) dell'impianto, poiché comporta costi di mancata produzione e di fermata/
riavviamento che possono essere rilevanti.
Il grado di questo rischio è diverso a seconda del MCT scelto.
Si ricorda che la disponibilità (D) è una
grandezza statistica (rif. fig.16) uguale al rapporto fra due durate:
■ tempo durante il quale la tensione è presente;
■ durata di riferimento, uguale ai tempi di "tensione presente+ tensione assente".
Il tempo di buon funzionamento (MUT) dipende dallo stato generale
dell'isolamento della rete.
È noto che l'isolamento degrada nel tempo a causa delle sollecitazioni termiche dovute in particolare alle correnti di guasto. Anche il tempo di fuori servizio (MDT) dipende
dall'intensità della corrente di guasto, che può provocare:
■ danni più o meno rilevanti negli apparecchi utilizzatori, nei cavi... ;
■ incendi;
■ disfunzioni sulle apparecchiature a correnti deboli di controllo-comando.
Rispetto alla disponibilità dell'energia elettrica, conviene dunque studiare separatamente ciascun MCT.
Il sistema IT merita un approfondimento particolare poiché risulta essere il solo a consentire la mancata interruzione
del circuito in presenza di un guasto.
■ il sistema IT
Per conservare il principale vantaggio del sistema IT, che è quello di non interrompere la distribuzione dell'energia elettrica al verificarsi del primo guasto a terra, bisogna evitare il secondo guasto, il quale presenta al suo apparire gli stessi rischi tipici del sistema TN.
Per far ciò, si deve eliminare il primo guasto prima che se ne presenti un secondo.
L'utilizzo di strumenti di rilevazione e di localizzazione efficaci da parte di personale di manutenzione preparato e reattivo riduce drasticamente la probabilità del "guasto doppio".
Inoltre, sono attualmente disponibili sul mercato dispositivi di controllo che permettono di seguire nel tempo l'evoluzione dell'isolamento dei diversi circuiti, di effettuare la previsione dei guasti e quindi di anticipare la manutenzione per prevenire il primo guasto.
In tal modo si ottiene la massima disponibilità possibile con il sistema IT.
■ i sistemi TN e TT
Essi fanno ricorso alla selettività
fig. 16: disponibilità dell'energia elettrica.
MDT MUT MDT MUT MDT
messa fuori tensione su guasto
ritorno della tensione
messa fuori tensione su guasto
ritorno della tensione
messa fuori tensione su guasto
ritorno della tensione
tempo
fuori servizio stato di marcia
MDT = Mean Down Time durata media del fuori servizio (rilevamento+
intervento+riparazione+
rimessa in servizio) D = Disponibilità
MUT = Mean Up Time durata media di buon funzionamento dopo la riparazione
