Sicurezza Elettrica: un viaggio tra fase terra e neutro parte 1/2


Vi siete mai chiesti il motivo per cui vi hanno sempre consigliato di non infilare le dita nei buchi della presa elettrica? Bhe se state leggendo questo post, significa che: o badate ai consigli, oppure siete stati testardi (o avete sfidato la sorte) e in qualche modo ve la siete cavata. Con questo breve articolo scopriremo ciò che si nasconde dietro una presa elettrica, gli effetti e le situazioni rischiose per l’uomo.

LA DISTRIBUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
La distribuzione dell’energia elettrica all’utente finale è l’ultima fase del processo comprendente produzione e trasporto. Prima di raggiungere l’utenza, l’energia elettrica attraversa la rete di distribuzione elettrica la quale comprende:

  • linee ad alta tensione [60-400 kV]
  • linee a media tensione [10-20 kV]
  • linee a bassa tensione [0.05-1 kV]

La conversione da at/mt (alta tensione/media tensione) avviene per mezzo delle cabine primarie, mentre quella da mt/bt per mezzo di cabine secondarie. All’interno delle cabine vi sono diversi trasformatori e interruttori per la gestione della cabina.

In Italia si adotta un sistema di produzione, distribuzione, e utilizzo trifase a 400 V, ciò significa che l’energia elettrica viene distribuita su tre tensione elettriche alternate, aventi la stessa frequenza 50 Hz e lo stesso sfasamento di 120°.

Per quanto riguarda l’utenza, essa dispone di un sistema monofase, ciò significa che nelle abitazioni domestiche giungono due conduttori, una delle tre fasi e il neutro (il cui collegamento a terra viene effettuato dall’Enel). La tensione fase-neutro è di 220 V efficaci e 311 V di picco.

Per cui in ciascuna delle prese elettriche domestiche i buchi esterni corrispondo uno al conduttore di fase e l’altro al conduttore di neutro sul quale vi è il ritorno della corrente, e quindi la chiusura del circuito. Cosa possiamo dire del foro centrale?

Qui entra in gioco il discorso sulla sicurezza elettrica. Esso è collegato al sistema di terra dell’abitazione, il quale giunge al dispersore. Scopriremo subito la sua utilità. Prima di entrare nel dettaglio bisogna capire perché la corrente elettrica può essere pericolosa per l’uomo.

EFFETTI SULL’UOMO

Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano dipendono da

  • intensità’ della corrente
  • tempo di permanenza del contattoIl valore dell’intensità di corrente che scorre attraverso il corpo umano, è calcolabile per mezzo della legge di Ohm I = \frac{V}{R} , dove V indica il valore della tensione dell’impianto (con il quale la persona entra a contatto) ed R la resistenza del corpo umano verso terra.
    Dato che, l’uomo è composto principalmente da acqua (in media 70%) e dato che l’acqua conduce corrente, la resistenza assume valori per i quali la tensione di 220 V può provocare un passaggio di corrente dannoso per uomo. Sotto quest’ottica il corpo umano è rappresentabile con una rete con tre impedenze: una interna del nostro corpo, che dipende da come siamo fatti e due di contatto riferite agli arti superiori e inferiori.

    Le capacità in parallelo alle impedenza R_{s} sono state inserite in quanto il contatto non è continuo; esse possono essere trascurate nel caso di basse frequenze, è possibile quindi adottare la rete a sinistra.Le resistenze raffigurate dipendono
  • dalla tensione alla quale siamo sottoposti
  • dal percorso che prende la corrente (in quanto a seconda degli organi che attraversa incontra una resistenza diversa)
  • dalle condizioni della pelle (asciutta o bagnata).Per cui dato che tale resistenza non è uniforme come nei circuiti elettrici, si tiene conto quanto vale mediamente nell’uomo, in modo tale da progettare correttamente un impianto di protezione.
    Nel seguente grafico si presentano quattro zone colorate, ciascuna delle quali è caratterizzata da un range di valori per la corrente in mA a cui corrispondono dei rischi per l’uomo.
    Zone di pericolosità della corrente elettrica alternata a 50 Hz
  • zona 1 e 2: sensazione debole o scossa, non si hanno effetti pericolosi.
  • zona 3: i danni causati al corpo sono reversibili, tuttavia prolungando la durata del contatto si può incorrere alla tetanizzazione ovvero alla contrazione muscolare della parte a contatto. Ciò può paralizzare il muscolo impedendo alla persona di staccarsi dal contatto in tensione, in questo modo aumenta il tempo di contatto che porta alla zona di rischio successiva.
  • zona 4: i danni possono essere irreversibili e fatali ovvero: fibrillazione, arresto cardiaco, arresto della respirazione e ustioniSITUAZIONI DI RISCHIOLe situazioni di rischio in ambito domestico sono due:
  • Contatto diretto
    Si ha quando si tocca direttamente il conduttore di fase, la corrente passa attraverso il corpo umano e ritorna alla cabina di trasformazione (ciò è altamente pericoloso se non fatale). Ci si può proteggere da questo rischio effettuando l’isolamento dei conduttori.
  • Contatto indiretto
    La maggior parte degli involucri degli elettrodomestici sono metallici. In entrambi i disegni è rappresentato un dispositivo guasto.

     

    A sinistra l’elettrodomestico non ha il collegamento a terra. Supponiamo che il conduttore di fase entri in contatto con la carcassa del dispositivo, essa che dovrebbe essere a potenziale zero, si ritroverebbe ad un potenziale di 220 V efficaci. Se una persona, che supponiamo abbia una resistenza interna di 1000 Ohm, entrasse in contatto con l’elettrodomestico, verrebbe attraversata da una corrente di 220 mA, estremamente pericolosa.

    A destra l’elettrodomestico è collegato a terra, ciò implica che anche se si verificasse un guasto, il potenziale della sua carcassa non salirebbe a 220 V ma rimarrebbe idealmente a 0 V, in quanto il costruttore del dispositivo ha provveduto a collegare la carcassa al polo centrale della spina, la quale collegata al foro centrale della presa elettrica, permette il ritorno della corrente a terra. In definitiva le cariche si scaricano a terra passando dalla fase, alla carcassa del dispositivo, per poi giungere a terra.

    A primo impatto sembrerebbe tutto risolto. Tuttavia vi è un inconveniente. Come già detto il potenziale del terreno è zero, d’altra parte il potenziale del punto di collegamento non è esattamente nullo ma dipende dalla resistenza del collegamento (carcassa-dispersore). Per cui, in caso di guasto, sulla carcassa non vi sarà una ddp di 220 V e neanche nulla, ma una tensione dipendente da tale resistenza; per cui quando realizzo il collegamento il problema è sapere fino a quale tensione un dispositivo guasto può salire senza essere un pericolo per l’uomo. In condizioni ordinarie la tensione massima tollerabile è di 50 V.

    Di conseguenza, quando viene effettuato il collegamento di terra di un impianto domestico, la resistenza di terra va dimensionata in modo tale che in caso di guasto, la tensione venga mantenuta al di sotto di 50 V. La resistenza dell’impianto di terra (per un dispersore semisferico) è data dalla formula

    R_{t}=\frac{\rho}{(2\pi*r_{0})}

     

    dove

  • \rho è la resistività del terreno
  • r_{0} è il reaggio della calotta sferica del dispersoreL’unico parametro su cui possiamo agire è il raggio del dispersore in quanto la resistività del terreno è costante e dipende dal tipo terreno su cui viene collegato l’impianto. E’ possibile tuttavia adottare tipi differenti di dispersori e con diverse configurazioni al fine di ridurre tale valore.Fatte queste considerazioni abbiamo tutti i dati per calcolarci la resistenza minima, che il dispersore deve possedere, per evitare situazioni pericolose. Consideriamo un’unità domestica (es. lavatrice) dove si lavora con 3 kW di potenza e con correnti massime consentite di 14 A. Ipotizziamo di utilizzare una lavatrice che assorba tutta la potenza dell’impianto (ovvero 3 kW). In caso di guasto si ha che, nel peggiore dei casi i 14 A potrebbero attraversare una persona per poi giungere a terra. La resistenza di terra da aversi affinché sulla carcassa della lavatrice ci siano massimo 50 V è data da: I_{max}=\frac{3000}{220}=14 A \frac{R_{t}}{l_{t}}=\frac{50}{14}= 3.5 Ohm

    se invece considerassimo un carico di 50 kW (ambito industriale)

    I_{max}=\frac{5000}{220}=220 A \frac{R_{t}}{l_{t}}=\frac{50}{220}= 0.2 Ohm

    Questi valori di resistenza sono molto bassi, ed è difficile trovare terreni la cui resistività ne garantisca bassi valori.

    Per cui l’obbiettivo che ci si prefigge è: data una determinata resistività del terreno progettare un dispersore tale da garantire una bassa resistenza del terreno. L’unico parametro su cui possiamo agire è il raggio di tale dispersore. Nel caso in cui ci trovassimo a progettare un sistema di terra in cui abbiamo a che fare con del granito compatto la cui resistività è dell’ordine di 10^6 come ci comportiamo?

    L’impianto di terra mi protegge fino a quando la corrente in relazione anche alla resistenza che sono riuscito ad ottenere è tale da mantenere i 50 V. Nel caso di un ambiente domestico la R_{t} deve essere minore di 3.5 Ohm, se sono riuscito ad ottenere un valore più grande (in quanto non si vuole aumentare eccessivamente il raggio del dispersore) come agisco? L’impianto di terra non basta.

    Qui entra in gioco l’interruttore differenziale conosciuto come salvavita. Il suo funzionamento sarà spiegato nella seconda parte.

    Riferimenti
    Appunti del corso di Compatibilità Elettromagnetica

Francesco Celiberti

Ciao a tutti,


mi chiamo Francesco, sono laureato in Ing. Informatica e dell’Automazione. Sono attualmente coinvolto in un progetto di ricerca Europeo, MOTORIST. www.motorist-ptw.eu


By Francesco Celiberti | settembre 30th, 2011 | SHOW COMMENT(1)

One Response

  1. Sicurezza Elettrica: un viaggio tra fase terra e neutro parte 2/2 | Automazione Open Source says

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