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Contatti e protezioni In elettrotecnica, un contatto diretto si ha quando si viene a contatto con una parte attiva dell'impianto, ovvero una parte normalmente in tensione, come ad es. un conduttore, un morsetto, l'attacco di una lampada. Il contatto di un soggetto con queste parti porta alla chiusura di un circuito elettrico, in quanto il corpo umano presenta un comportamento di natura resistiva: il circuito è composto dalla parte di linea interessata, la messa a terra, la terra e il soggetto. Se la tensione a cui si è sottoposti è la normale alimentazione industriale (400 Vac trifase) o domestica (230 Vac monofase), qualora dovesse accadere questo tipo di contatto si è in una situazione molto pericolosa poiché in questo contesto la corrente attraversante il corpo umano supera facilmente valori critici. Infatti si definisce corrente di rilascio quella corrente che permette dopo un contatto volontario di un conduttore percorso da corrente di poterlo rilasciare, ma questa ha valore: I0 = 10 ÷ 30 mA a frequenza industriale (vedi Pericolosità della corrente).
Esempio di contatto indiretto Un contatto indiretto[1] si verifica quando un individuo viene in contatto con parti metalliche che si trovano in tensione elettrica accidentale ed imprevedibilmente. Questo avviene in condizioni di guasto, come per esempio quando l'isolamento elettrico di un apparecchio cede o si deteriora in seguito ad un guasto o ad un degrado spesso non visibile. L'involucro metallico dell'apparecchio elettrico (massa) si trova in questo caso sotto tensione ed in caso di contatto la persona può essere investita dal passaggio della corrente elettrica verso terra.
Protezione contro i contatti indiretti La protezione si realizza nei seguenti modi:
Messa a terra delle masse al fine di collegare allo stesso potenziale tutte le masse metalliche. Dal collegamento a terra sono esonerati i prodotti provvisti del simbolo con il quale la ditta costruttrice garantisce l'isolamento rinforzato o doppio; tale simbolo è costituito da due quadrati concentrici. Tutti gli altri apparecchi devono essere muniti di prese a spina con polo o contatto per il collegamento elettrico a terra della massa metallica: le prese a spina di tipo piatto utilizzano il polo centrale mentre quelle di tipo rotondo utilizzano una lamella laterale. Oltre all'impianto di messa a terra per garantire la protezione dai contatti indiretti è necessario installare a monte degli apparecchi utilizzatori un dispositivo in grado di rilevare
la dispersione di corrente verso terra (interruttore differenziale o interruttore magnetotermico) che interrompa il flusso di corrente elettrica prima che la stessa assuma valori pericolosi. o Gli interruttori magnetotermici, i fusibili e gli interruttori differenziali devono essere coordinati con l'impianto di messa a terra in modo da garantire il rispetto delle condizioni di sicurezza richieste dalla Norma CEI 64-8. o Anche l'impianto di messa a terra deve essere installato e verificato da personale qualificato, cosi’ come stabilito dalla Legge 46/90, tale impianto è soggetto a denuncia obbligatoria e verifica periodica da parte dell'autorità competente. Separazione elettrica, che si attua fornendo l'alimentazione attravero un trasformatore di isolamento e permette di evitare l'interruzione in caso di guasto; esso viene utilizzato nel locali ad uso medico.
La prevenzione dei contatti indiretti si basa sui controlli periodici degli interruttori e dell'efficienza dell'impianto di messa a terra.
Pericolosità della corrente La soglia di percezione della correnti elettrica nell'uomo è circa di 0,5 mA in c.a. (corrente alternata) a frequenza industriale (f = 50÷60 Hz) e di 2 mA in c.c. (corrente continua), inoltre si deve tenere conto che l'effetto di una determinata corrente elettrica varia non solo per l'intensità, ma anche per la durata della percorrenza. Si noti che la tensione non è rilevante negli effetti sull'uomo, ma occorre una tensione minima per essere attraversati dalla corrente, quindi sotto i 50 V circa non si corrono rischi, ma al di sopra è ininfluente la tensione, gli effetti dipendono solo dall'intensità. Con intensità maggiori a quelle specificate si producono nel corpo umano i seguenti effetti:
Tetanizzazione muscolare: i muscoli sottoposti ad una corrente alternata, subiscono una sequenza di stimoli elettrici; non riuscendo a contrarsi e rilassarsi con la frequenza della corrente, i muscoli restano contratti permanentemente. Tale circostanza è particolarmente grave quando un oggetto in tensione viene impugnato volontariamente, poiché la tetanizzazione paralizza i muscoli impedendone il rilascio; la massima corrente per la quale si riesce a lasciare la presa viene chiamata corrente di rilascio e si aggira sui 10÷30 mA a f.i. (frequenza industriale). La contrazione muscolare smette quando finisce anche il passaggio della corrente. Blocco respiratorio: tetanizzazione dei muscoli respiratori quando il contatto interessa la regione toracico-polmonare. Comporta ipossia quindi danni al cervello dopo pochi minuti. Fibrillazione ventricolare: una corrente alternata sufficientemente elevata (> 50 mA) che interessi la regione toracica può provocare la perdita di coordinamento dei muscoli cardiaci, così il cuore non riesce più a pompare sangue causando ipossia e danni al cervello. Arresto cardiaco. Ustioni: dovuta ad elevati densità di corrente tra cute e conduttore in tensione, per effetto Joule, provoca elevante temperature per brevi periodi capaci di provocare gravi ustioni.
1. Limiti di corrente: Si definisce soglia media di pericolosità:
dove con Ip : corrente pericolosa e Δt: tempo di permanenza; questa individua il limite al di sotto del quale la corrente è percepibile ma non pericolosa; al di sopra di esso la corrente deve considerarsi potenzialmente pericolosa. I parametri dell'equazione si possono assumere, a frequenza industriale: . 2. Limiti di tensione: Il corpo umano presenta prevalentemente un comportamento resistivo: la tensione che corrisponde alla corrente pericolosa è di difficile definizione perché la resistenza del corpo Ru può variare in un campo molto ampio, dipendendo da molteplici fattori quali i punti di contatto, l'estensione del contatto, la pressione, lo spessore della pelle e il suo grado di umidità. Si assume Ru > 2000Ω, per questo motivo non vengono ritenute pericolose tensioni sinusoidali con valore efficace U < 50V e tensioni continue con U < 120V, applicate per un tempo illimitato. Una persona può venire a contatto con parti in tensione e quindi subire gli effetti del passaggio di corrente mediante contatto diretto oppure contatto indiretto. Quindi per evitare ciò si devo attuare delle contromisure imposte dalla norma vigente (norme CEI). La protezione contro i contatti diretti si attuano prevenendo i contatti accidentali con le parti in tensione:
isolamento delle parti attive con materiale isolante non removibile, involucri o barriere tali da impedire ogni contatto con le parti in tensione, ostacoli o distanziatori, interruttori differenziali ad alta sensibilità, con correnti differenziali di soglia di Is ≤30 mA
La protezione contro i contatti indiretti si realizza nei seguenti modi:
Messa a terra delle masse, Interruzione automatica dell'alimentazione tramite interruttori automatici, Doppio isolamento delle apparecchiature Separazione elettrica
Schema riassuntivo degli effetti della corrente (tempi di contatto prolungato): Valori di corrente
Definizione
Effetti
1-3 mA
SOGLIA DI PERCEZIONE
Non si hanno rischi o pericoli per la salute.
3-10 mA
ELETTRIFICAZIONE
10 mA
TETANIZZAZIONE
25 mA
DIFFICOLTÀ RESPIRATORIE
25-30 mA ASFISSIA 60-75 mA FIBRILLAZIONE
Produce una sensazione di formicolio più o meno forte e può provocare movimenti riflessi. Si hanno contrazioni muscolari. Se la parte in tensione è stata afferrata con la mano si può avere paralisi dei muscoli, rendendo difficile il distacco. Si hanno a causa della contrazione di muscoli addetti alla respirazione e del passaggio di corrente per i centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria. La tetanizzazione dei muscoli della respirazione può essere tale da provocare la morte per asfissia. Se la corrente attraversa il cuore può alterarne il regolare funzionamento, provocando una contrazione irregolare e disordinata delle fibre cardiache che può portare alla morte.
Interruttore magnetotermico con differenziale incorporato L'interruttore differenziale (detto anche salvavita da un nome commerciale largamente utilizzato) è un dispositivo elettrotecnico in grado di interrompere un circuito in caso di guasto verso terra (dispersione) o folgorazione fase-terra. Non offre alcuna protezione contro sovracorrente o cortocircuito tra fase e fase o tra fase e neutro, per i quali è invece richiesto un interruttore magnetotermico. Sono molto diffusi in commercio apparecchi che integrano entrambi i dispositivi.
Principio di funzionamento []
Schema di principio del differenziale. In rosso è indicata una dispersione Considerando il circuito da proteggere come un singolo nodo, si può affermare che la somma algebrica delle correnti entranti in esso deve essere zero (prima legge di Kirchhoff). In pratica se si misura l'intensità della corrente in un sistema monofase, si osserverà che la corrente entrante equivale a quella uscente. In un sistema trifase la somma delle correnti, dando segno positivo per i flussi entranti e negativo per gli uscenti, risulta nulla. Se una apparecchiatura connessa all'impianto si guasta, è possibile che venga a crearsi un collegamento più o meno efficace tra la linea elettrica e la carcassa metallica (tecnicamente definita massa), la quale può diventare causa di folgorazione se toccata. Se il collegamento è precario è possibile anche che si produca calore per effetto Joule con conseguente sviluppo di un incendio. Poiché nelle centrali di distribuzione della rete elettrica e nelle cabine di trasformazione MT/BT il punto neutro è collegato a terra, qualunque collegamento tra una fase della linea elettrica e terra subisce un passaggio di corrente. Questa corrente dispersa non ritorna attraverso l'interruttore differenziale a monte dell'impianto, il quale rivela che la somma delle correnti di nodo non è più nulla ed interviene. Per evitare che sia un corpo umano a realizzare il ponte fase-terra e agevolare il lavoro dell'interruttore differenziale è necessario che gli apparecchi con carcassa metallica siano collegati ad un adeguato impianto di messa a terra. Si parla, in questo caso, di protezione contro i contatti indiretti. Invece, nel caso in cui una persona tocchi una parte che è normalmente in tensione, come ad esempio un conduttore elettrico non isolato, si parla di contatto diretto. Anche in questo caso l'interruttore differenziale fornisce, nella maggior parte dei casi, una buona protezione, purché sia del tipo ad alta sensibilità, cioè con corrente differenziale nominale minore o uguale a 30 mA, ed abbia un tempo di intervento sufficientemente breve (pochi millisecondi). Da notare che la presenza dell'interruttore differenziale non esime assolutamente dall'obbligo di predisporre un impianto di terra realizzato a regola d'arte. In caso di impianti elettrici con più derivazioni in parallelo si possono installare più differenziali a protezione di ciascun ramo derivato, in modo da realizzare una protezione selettiva, tale, cioè, da isolare solo il ramo interessato al guasto, senza disalimentare gli altri rami. Se, in aggiunta alle protezioni dei singoli rami, si installa anche una protezione differenziale generale comune a tutti i rami, si ricorre solitamente ad un differenziale di tipo ritardato, per evitare che questo, intervenendo prima di quelli posti a valle, disalimenti anche i circuiti non guasti.
Struttura e funzionamento
Interruttore differenziale aperto: 1 Morsetti di ingresso 2 Morsetti di uscita (verso il carico) 3 Pulsante di inserimento 4 Contatti di interruzione 5 Solenoide che tiene chiusi i contatti 6 Trasformatore di corrente (sensore) 7 Circuito elettronico amplificatore 8 Pulsante di test 9 Filo (arancio) che alla pressione di test è attraversato da una corrente sbilanciata In un comune interruttore differenziale è presente un circuito magnetico (in pratica un trasformatore di corrente) su cui sono avvolti dei solenoidi (uno per filo da proteggere) in modo tale che in condizioni di equilibrio il flusso magnetico prodotto si annulli reciprocamente. In caso di squilibrio, il flusso magnetico non è più nullo ed è sufficiente per attirare una ancorina, la quale provoca lo scatto di una molla che apre l'interruttore. In alcuni modelli i contatti sono tenuti normalmente chiusi da un elettromagnete alimentato da un circuito elettronico. Quando viene rilevato uno sbilancimento della corrente misurata da un altro solenoide, il circuito toglie alimentazione all'elettromagnete e provoca l'apertura dei contatti. Per verificare la continuità di funzionamento è prescritta l'effettuazione di un test con cadenza mensile, premendo un apposito pulsante presente sull'apparecchio
