Protezione della corrente elettrica mediante interruttore

Sistema di distribuzione TT

Le reti distribuzione pubblica, a bassa tensione, adottano, specialmente in Italia, il sistema di distribuzione TT (Fig. 6), in cui le masse metalliche dell'utente sono collegate ad un impianto di messa a terra indipendente da quello utilizzato dall’azienda distributrice per collegarvi il centro stella del suo trasformatore MT/BT, cioè il neutro.

Il valore della resistenza di terra dell’utentedeve essere tale che, quando l’impianto di terra disperde la massima corrente che può circolare tra fase e terra, la caduta di tensione non superi il valore ammesso dalle norme (50 o 25 V, a secondo dei casi), deve cioè essere "coordinato" con la protezione.

Il massimo valore di corrente che può essere disperso a terra dipende dal tipo di protezione installata a monte della linea, che interverrà per quel valore di corrente per cui è tarata e nel tempo corrispondente.

Protezione mediante fusibili

Il fusibile interviene in funzione di una caratteristica corrente-tempo, in cui a correnti più elevate corrispondono tempi d’intervento più brevi (caratteristica di intervento a tempo inverso).

La corrente che provoca la fusione del fusibile deve essere sufficientemente più elevata della corrente che normalmente circola nella linea (almeno 4 o 5 volte la corrente nominale), per cui le linee che alimentano utenze di potenza non molto piccola sono protette da fusibili con correnti di intervento elevate (centinaia di ampere), quindi si richiede un valore di resistenza di terra molto piccolo per non superare la tensione di sicurezza.

Protezione mediante interruttore automatico magnetotermico

Gli interruttori automatici sono generalmente dotati di due relè:

- uno che interviene in caso di corto circuito (relè magnetico), in cui la corrente deve superare almeno di 5-10 volte la corrente nominale;

- l'atro che interviene dopo un tempo inversamente proporzionale al valore dell’intensità di corrente, in pratica quando viene superato il valore della corrente nominale (relè termico).

In entrambi i casi tali correnti non sono piccole e nel caso di dispersione a terra, per guasto dell'isolamento verso massa, occorre che la resistenza di terra sia sufficientemente piccola affinché non vengano a instaurarsi valori di tensione fra massa e terra superiori a quella di sicurezza.

Ad esempio: una utenza domestica da 3 kW, monofase, è protetta con un interruttore magnetotermico da 16A; in caso di guasto tale interruttore può non intervenire fino a valori di corrente di circa 150 A, quindi, affinchè la tensione fra massa e terra si mantenga sotto il valore di 50 V, la resistenza di terra di protezione delle masse deve avere un valore non superiore a 0,3 Ohm.

Protezione mediante interruttore differenziale:

L'interruttore differenziale è dotato di sistemi in grado di rilevare la somma algebrica fra le correnti del circuito e può essere progettato in modo da interviene allorché tale differenza supera un determinato valore.

Nella Fig.7 è rappresentato un interruttore differenziale monofase, in cui il sensore differenziale è costituito da un circuito magnetico, in cui la corrente che percorre la fase e che ritorna attraverso il neutro, induce due forze magnetomotrici uguali ed opposte, con risultante nulla. Se, a valle dell’interruttore parte della corrente si chiude attraverso la terra, (dispersione) la risultante della f.m.m. sarà diversa da zero, per cui darà origine ad un flusso magnetico (alternato) che genererà delle f.e.m. nelle spire del circuito che comanda l’apertura dell’interruttore. 

Fig. 7  Schema di principio dell’interruttore differenziale monofase

La migliore protezione contro i contatti accidentali "indiretti" è costituita dall'interruttore differenziale.

Il valore della corrente di dispersione a cui corrisponde l’apertura dell’interruttore è indipendente dal valore della corrente del carico alimentato dalla linea, pertanto si può scegliere una corrente di intervento sufficientemente piccola, che, in caso di dispersione  attraverso le masse metalliche, provochi una tensione tra massa e terra il cui valore sia inferiore a 50 V o a 25 V nei luoghi a maggior rischio elettrico.

L’interruttore differenziale offre quindi il fondamentale vantaggio di rendere agevole il  coordinamento fra il valore della resistenza di terra e la protezione, anche con valori di resistenza di terra elevati la tensione fra massa e terra può risultare inferiore a quella di sicurezza.

Inoltre, scegliendo correnti di intervento dell'interruttore di valore inferiore alla corrente considerata pericolosa per il corpo umano (30 mA), si può realizzare una efficace protezione anche dai contatti "diretti". Quest'ultima considerazione ha procurato a tale tipo di interruttore la denominazione commerciale di "salvavita". Denominazione inopportuna, perché non in tutti i casi l'apparecchio può intervenire, in dipendenza:

-        delle modalità del contatto accidentale;

-        della presenza di componenti  continue della corrente nella rete;

-        della resistenza effettivamente presentata dal circuito in cui risulta inserito l'infortunato;

-        di guasti dell’apparecchio stesso; etc.

Tipi di protezione da corrente elettrica

 La protezione mediante isolamento rinforzato

La normativa considera equivalente, dal punto di vista della sicurezza elettrica, un doppio isolamento delle parti attive, ciò avviene quando all’isolamento principale viene sovrapposto un secondo isolamento in grado di resistere alla stessa tensione di esercizio oppure viene eseguito un isolamento in grado di resistere ad una tensione maggiore di quella di impiego (isolamento rinforzato).

In tal caso, eventuali parti metalliche accessibili, separate dai conduttori attivi dal doppio isolamento, non sono considerate masse e quindi non devono essere collegate alla terra. Infatti il collegamento a terra ridurrebbe il livello di sicurezza.

Le apparecchiature con isolamento doppio o rinforzato vengono dotate di cordone di alimentazione con spina senza polo di terra.

 La protezione mediante interruzione del circuito

Questo tipo di protezione è di tipo attivo e consiste nell’intervento di un organo di protezione che interrompe il circuito allorché si verifichino condizioni di funzionamento che possano originare pericoli. Il tipo di protezione da adottare dipende dalla struttura del sistema elettrico di distribuzione .

Definizione di massa elettrica

8. Contatti accidentali con parti in tensione – definizione di “massa”

Il contatto con parti in tensione può essere del tipo “diretto”, quando si viene a contatto con una parte dell’impianto normalmente in tensione (Fig. 6 a) o del tipo “indiretto” attraverso la “massa” (Fig. 6 b).

a)   contatto diretto                                b)  contatto indiretto

(con parte normalmente in tensione)                                 (con parte accidentalmente in tensione)

  Fig. 6 – Contatti accidentali

La norma definisce la massa come “una parte conduttrice, facente parte dell’impianto elettrico, che può essere toccata e che non è in tensione in condizioni ordinarie di isolamento, ma che può andare in tensione in caso di cedimento dell’isolamento principale”.

Esempi di massa: carcasse di motori elettrici, parte metallica del lampadario, canale metallico contenente cavi a semplice isolamento, etc.

Una parte metallica che non fa parte dell’impianto elettrico non è una massa, ma può essere una “massa estranea” se può introdurre un potenziale, anche se questo è il potenziale zero della terra.

Esempi di masse estranee: impianto idrico, del gas, dei termosifoni, serbatoio metallico interrato, strutture metalliche estese, etc.

Pericolo di contatto elettrico

Poiché è più semplice valutare il valore della tensione che può far circolare una corrente pericolosa nel corpo umano, osservando che, per correnti  alla frequenza di 50-60 Hz e per tensioni di contatto di circa 200 V, il corpo umano presenta, per il 95% degli individui, una impedenza di circa 2000 W (1000 W per il 5% ), sono state individuate  delle curve limiti tensione-tempo, a cui corrispondono situazioni di sicurezza o di pericolo (Fig. 4).

Per luoghi asciutti e condizioni normali viene ritenuto praticamente sicuro un valore di tensione alternata, a frequenza industriale, di 50 V, che viene ridotto alla metà (25 V) per luoghi bagnati, all'aperto, in ambienti ristretti in cui i movimenti sono impediti e all'interno di grandi masse metalliche.

Tuttavia la resistenza del corpo umano varia molto in funzione di:

-        stato della pelle (asciutta o umida, etc., di uomo, donna o bambino);

tipo di contatto (mano-mano o mani-piedi etc.);

-        superficie e pressione del contatto;

-        durata del contatto;

-        natura della corrente (alternata, continua, ad alta frequenza, etc.);

-        tasso di alcool nel sangue;

-        tensione di contatto

Nel considerare il circuito equivalente del contatto si deve tener conto anche delle resistenze di contatto con il terreno (presenza e tipo di calzature) e con il conduttore attivo; la resistenza del terreno viene considerata quasi sempre trascurabile

Pericolosità della corrente elettrica

7. Limiti di pericolosità della corrente elettrica:

Corrente di rilascio: 

-        si intende il valore di corrente per cui il soggetto sottoposto ad “elettrocuzione” è ancora in grado di rilasciare la presa.  Valori limite in corrente continua:

§  uomini:            76 mA

§  donne   51 mA

Questi valori dipendono, però, fortemente da:

-        età:                               sono inferiori nei bambini;

-        sesso:                    "        "     per le donne (circa 10 mA contro i 16 mA per gli uomini);

-        peso corporeo:     "        "     se il peso corporeo è basso;

-        condizioni fisiche:           "        "     se il corpo è umido.

                      

§  Una corrente di intensità maggiore della corrente di rilascio produce danni tanto più gravi quanto più elevata è la sua intensità e quanto più a lungo dura l'elettrocuzione: si ha nell'ordine:

svenimento °  asfissia °  collasso °  incoscienza ° decesso

§  Una corrente continua di intensità e durata elevate può produrre tetanizzazione.

§  Una corrente alternata, a frequenza industriale, di intensità elevata ma di breve durata, non produce tetanizzazione, quindi è meno pericolosa di una analoga corrente più debole ma di maggiore durata.

§  A frequenze elevate la corrente tende a interessare la superficie esterna del corpo.

7.1    Interventi di primo soccorso

Nel caso di arresto della respirazione:

1)     aprire l'interruttore;  oppure, se non può essere raggiunto l’interruttore in qualche minuto:

-        cortocircuitare a terra la linea,

-        eliminare il contatto mediante un mezzo isolante.

2) eseguire immediatamente la respirazione artificiale

Nel caso di fibrillazione cardiaca (non si sente il battito nell’arteria giugulare) non è possibile intervenire sul posto, tuttavia può risultare efficace ed è necessario eseguire:

- il massaggio cardiaco esterno;

- la respirazione artificiale.

Occorre proseguire le suddette manovre fino all'arrivo in ospedale, dove i medici potranno adoperare il defribillatore.

7.2   Curve limiti di pericolosità della corrente e della tensione

E' stata definita in campo internazionale una famiglia di curve,  corrente-tempo (Fig. 3), in base alle quali può essere valutata la pericolosità di una corrente che attraversa il corpo di un individuo adulto di sesso maschile. Le zone indicate con i numeri da 1 a 4 indicano pericolosità crescente:

1 = pericolo trascurabile,                            

2 = sensibilità al passaggio della corrente,

3 = pericolo di tetanizzazione,                     

4 = pericolo grave (fibrillazione cardiaca - decesso)

Effetti della corrente sul corpo umano

6.  Effetti della corrente elettrica sul corpo umano
Attività bioelettrica della cellula Se viene misurato il valore della differenza di potenziale esistente tra l’interno e l’esterno di una cellula vivente (Fig. 2 a),

Si ottengono i seguenti risultati:

§  Cellula a riposo: potenziale di riposo= circa 70 mV (permeabilità selettiva, maggiore per gli ioni K che non per gli ioni Na);

§  Stimolazione della cellula:  risposta con un transitorio di tensione che raggiunge il valore massimo di circa 70 mV di segno opposto (potenziale d’azione)  e si esaurisce in circa 50 ms (tempo di rilassamento), (Fig. 2 b).

Perché la cellula venga eccitata, lo stimolo deve avere sufficienti intensità e durata, ma il valore massimo del potenziale di azione e la durata del transitorio non dipendono da esse. Dopo ogni stimolo deve trascorrere un tempo corrispondente alla durata del transitorio (periodo refrattario), perché la cellula possa reagire a un nuovo stimolo.

La sensibilità dell'organismo umano alla corrente elettrica si manifesta per valori dell'intensità di corrente (alternata o continua)  i = circa 45 µA. Gli effetti che la corrente elettrica può provocare su organismi viventi sono:

-        tetanizzazione;

-        arresto della respirazione;

-        fibrillazione ventricolare;

-        ustioni;

-        elettrolisi.

Tetanizzazione:

-        un impulso elettrico provoca la contrazione dei muscoli;

-        impulsi successivi al "periodo refrattario" e prima che il muscolo sia tornato allo stato di riposo provocano contrazioni consecutive dei muscoli, che non riescono a rilassarsi.

La tetanizzazione dipende dalla frequenza della corrente: in relazione al tempo di rilassamento, risulta particolarmente pericolosa la corrente alla frequenza di industriale (50 o 60 Hz).

Arresto della respirazione:

Correnti di intensità superiore ai limiti indicati per la "corrente di rilascio", contraggono i muscoli della respirazione: l'infortunato presenta difficoltà di respirazione e asfissia

Fibrillazione ventricolare:

Correnti elettriche, che si sovrappongono all'attività elettrica biologica che provoca il battito cardiaco (contrazione dei ventricoli), disturbano l’attività del miocardio, per cui il cuore si contrae in modo non coordinato  e non riesce più a pompare il sangue.

Ustioni:

Il passaggio della corrente elettrica attraverso una resistenza provoca riscaldamento, ciò avviene anche per la resistenza del corpo umano. In particolare le resistenze di contatto determinano le ustioni nei punti di entrata e di uscita della corrente (marchio elettrico).

Elettrolisi:

Il passaggio della corrente attraverso i liquidi biologici e il sangue, provoca l'elettrolisi di diversi composti organici.