Classificazione dei Sistemi Elettrici

Classificazione dei Sistemi
Elettrici
Classificazione dei Sistemi Elettrici in base alla tensione
Sistema elettrico: complesso delle macchine, delle apparecchiature,
delle sbarre e delle linee aventi una determinata tensione nominale.
La tensione nominale di un sistema è il valore della tensione con il
quale il sistema è denominato ed al quale sono riferite le sue
caratteristiche.
Bassissima tensione:
Bassa tensione:
Media tensione:
Alta tensione:
AC
CC
U<50V
U <120V
50V<U< 1000V 120V<U< 1500V
1kV<U< 30kV 1.5kV<U< 30 kV
U> 30 kV
Classificazione dei Sistemi Elettrici (2)
•
Gli impianti utilizzatori vengono alimentati da circuiti BT delle cabine di
trasformazione, le quali, essendo dotate di uno o più trasformatori aventi
l’avvolgimento secondario collegato a stella, rendono disponibili le tre fasi e
il neutro.
•
In relazione allo stato del neutro e al collegamento delle masse i sistemi
elettrici sono individuati con due lettere.
La prima lettera indica lo stato del neutro:
T = neutro collegato direttamente a terra;
I = neutro isolato da terra;
La seconda lettera indica la situazione delle masse:
T = masse collegate a terra;
N = masse collegate al neutro del sistema.
Sistema TT
• Ha il neutro messo direttamente a terra e le masse collegate ad un impianto
di terra elettricamente indipendente
(rete di distribuzione di BT, 230 V / 400 V; potenze installate inferiori a circa 30 kW)
• Nei sistemi TT non vengono prese particolari misure per rendere innocuo il
conduttore di neutro, che deve pertanto essere considerato un conduttore
attivo a tutti gli effetti. Il conduttore PE non deve essere mai sezionabile!!!
Sistema TN
• Il sistema elettrico TN ha il neutro messo direttamente a terra e le masse
dell’istallazione connesse a quel punto per mezzo del conduttore di protezione
• TN-C : le funzioni di neutro e di protezione sono combinate in uno stesso
conduttore (conduttore PEN, non deve mai essere sezionabile!!!);
• TN-S: conduttori di neutro e di protezione separati;
• TN-C-S : le funzioni di neutro e di protezione sono in parte combinate in un
solo conduttore e in parte separate;
Tensioni sul Neutro in Condizioni Anomale
• Nei sistemi TN, in condizioni anomale del circuito, il neutro può assumere una
tensione verso terra pericolosa. Questo evento corrisponde a un danno per le
persone, poiché anche le masse assumono tale tensione, pur non essendo
affette da nessun guasto di isolamento.
• Le tensioni possono aver origine:
- sull’impianto di terra del neutro: per un guasto a terra in AT o in BT (ad
esempio un corto circuito fase-terra).
- sul conduttore di neutro: per un corto circuito fase-neutro oppure per
interruzione accidentale del conduttore di neutro. Tali situazioni possono
essere pericolose solo quando si utilizza il conduttore di neutro come
conduttore di protezione (PEN). I conduttori PEN devono per questo essere a
posa fissa e di sezione tale per cui sia da ritenersi trascurabile la probabilità di
rottura del conduttore. Inoltre è proibito inserire interruttori o fusibili sul
conduttore PEN
Confronto tra sistemi TN e TT
• La sicurezza del sistema TN, nel caso di distribuzione pubblica, è
legata alla garanzia dell’efficienza del neutro e dell’impianto di terra
che la società fornitrice mette a disposizione dell’utente per il
collegamento delle masse.
• Attualmente l’uso del sistema TN, a differenza di molti altri paesi in cui
è adottato per la distribuzione pubblica, in Italia è consentito solo per
gli impianti utilizzatori alimentati da una propria cabina o stazione di
trasformazione (quando la potenza impegnata giustifica una
alimentazione in MT, con installazione di una propria cabina di
trasformazione).
• Per la distribuzione pubblica in BT il sistema TN era ammesso fino al
1965, mentre dal 1965 è utilizzato il sistema TT.
Sistema IT
• Il sistema elettrico IT ha il neutro isolato o a terra tramite un’impedenza,
mentre le masse sono collegate a terra
(utilizzato quando in particolare si vuole garantire la continuità del servizio, come negli
ospedali)
• La sua utilizzazione non è generalizzata, a causa dei numerosi inconvenienti
a cui può dar luogo. L’esercizio di impianti IT è soggetta a numerose
prescrizioni normative.
Contatti Indiretti nei Sistemi TT (1)
• Circuito di guasto a terra in un apparecchio alimentato da un sistema TT:
Circuito equivalente
Circuito equivalente di
Thevenin
• La resistenza equivalente di Thevenin è il parallelo di RE con RN e risulta
trascurabile rispetto alle altre resistenze del circuito di guasto.
Contatti Indiretti nei Sistemi TT (2)
• Se si volesse contenere la tensione sulla massa entro il limite di sicurezza UL
dovrebbe essere verificata la condizione:
U0
RE ≤ U L
RE + RN
RE ≤
UL
UL
Uo −U L
• La resistenza di terra del neutro RN è spesso inferiore a 1 Ω; in un sistema
trifase 230/400 V e per UL = 50 V la resistenza di terra delle masse dovrebbe
essere pertanto inferiore a ~ 0.3 Ω.
• In un sistema TT non è pratico nè conveniente contenere la tensione sulle
masse a valori inferiori al limite UL perchè:
-occorrerebbero resistenze di terra troppo basse, difficili da ottenere;
-la sicurezza dipenderebbe dalle variazioni della resistenza di terra del
neutro, che in un sistema di distribuzione pubblica non sono note all’utente.
• Si ricorre quindi ai dispositivi di protezione (fusibili, interruttori automatici o
differenziali).
Apparecchiature di Protezione e Manovra
• Con il termine protezioni si intendono tutti quei dispositivi installati allo scopo
di:
- sorvegliare il valore di grandezze elettriche e non elettriche confrontandone
le loro caratteristiche ed eventualmente i loro andamenti temporali, con valori
di riferimento pre-impostati;
- fornire adeguate segnalazioni e/o azioni qualora le grandezze sorvegliate
escano dai limiti impostati;
- intervenire con opportune azioni di interruzione e/o manovra
• Tipiche caratteristiche di intervento:
Interruttori Automatici di BT di Max Corrente
• Questa protezione viene impiegata per proteggere le linee e i carichi aprendo
il circuito quando la corrente supera i valori limite, per i tempi consentiti , a
seguito di un sovraccarico temporaneo o per un guasto di corto circuito.
• Il comune interruttore magnetotermico ha una caratteristica di intervento di
questo tipo:
Differenza tra Dispositivi di Protezione (Cavi e Persone)
• La caratteristica di intervento dei dispositivi a massima corrente corrisponde
alle esigenze protettive dei cavi, ma non si adatta affatto alla protezione
contro i contatti indiretti.
Nei sistemi TT, usando dispositivi di massima corrente ben
difficilmente si riesce a realizzare una protezione dai contatti
indiretti conforme alla normativa.
• Si deve disporre un mezzo protettivo “ad hoc” per la protezione delle persone
dai pericoli dell’elettricità.
• La separazione tra i due compiti di proteggere i cavi e proteggere dai contatti
indiretti rende il sistema protettivo più efficace.
Interruttori Differenziali Magnetotermici
• Quando un interruttore differenziale incorpora anche gli sganciatori di
sovracorrente viene denominato interruttore differenziale magnetotermico.
Equipotenzialità nei Sistemi TT
• Se tutte le parti conduttrici simultaneamente accessibili, compreso il terreno,
fossero allo stesso potenziale non vi sarebbe pericolo alcuno per le persone. Si
tende a questa situazione collegando all’impianto di terra non solo le masse,
ma anche le altre masse metalliche.
Il conduttore PA è
il conduttore equipotenziale
In questo modo diminuisce la resistenza
di terra e si annulla la tensione di contatto
tra la massa M e la massa estranea A.
Contatti Indiretti nei Sistemi TN
• In un sistema TN-S
si ha il seguente circuito di guasto:
• Applicando Thevenin ai morsetti ME si ricava (Fig. b):
E eq =
U0
Zp
Zf + Zp
Z eq =
ZfZp
Zf + Zp
+ RN
• Poiché Zeq è trascurabile rispetto a RB+REB, il contatto della persona non altera la
tensione preesistente sulla massa (Fig. c).
Sistemi di protezione
•
Tale guasto rappresenta un corto circuito: la corrente è limitata dalla sola impedenza
del circuito di guasto. Questo è costituito da una spira, o anello, con una sua propria
impedenza. Non è pensabile contenere la tensione assunta dalla massa a valori
inferiori alla tensione UL senza aprire il circuito.
•
A tal fine deve essere soddisfatta la curva di sicurezza; occorre cioè interrompere il
circuito in un tempo per cui la tensione sulla massa sia sopportabile per il corpo
umano.
Contatti Indiretti nei Sistemi IT
• In un sistema elettrico isolato da terra, un guasto a terra determina il
passaggio di una corrente prevalentemente capacitiva, di valore modesto, che
mantiene la tensione REId a livelli non pericolosi.
• Il non dover interrompere il circuito al primo guasto a terra è la caratteristica
peculiare, e insieme il maggior vantaggio, dei sistemi IT. Tale caratteristica è
preziosa ad es. negli ospedali.
• Il sistema IT non presenta alcun vantaggio nei confronti dei contatti diretti,
come viceversa alcuni fermamente credono. La corrente che fluisce attraverso
il corpo umano in caso di contatto diretto, anche se modesta, è pur sempre
molto pericolosa, tanto più quanto più esteso è l’impianto.
Doppio Guasto a Terra nei Sistemi IT
• Se il primo guasto a terra non è eliminato in un tempo ragionevolmente
breve, può verificarsi un secondo guasto a terra su un’altra fase di un altro
circuito. Si stabilisce così una corrente di doppio guasto a terra, alimentata
dalla tensione concatenata, che può determinare l’intervento dei dispositivi di
protezione a massima corrente su entrambi i circuiti.
• Viene così meno il vantaggio della continuità di esercizio del sistema IT, anzi
si aggrava il disservizio rispetto a un sistema TT o TN dove le protezioni
selettive aprono il solo circuito di guasto.
Sistema di Controllo
•
E’ necessario prevedere un sistema di controllo continuo dell’isolamento
verso terra, in modo da permettere una rapida individuazione ed
eliminazione del primo guasto a terra.
•
Il dispositivo più semplice è costituito da tre lampade ad incandescenza
inserite tra le fasi e la terra. Il valore dell’intensità luminosa di ogni
lampada dipende dal valore della tensione verso terra della fase da cui è
alimentatae e fornisce una valutazione del livello di isolamento di quella
fase.
•
Nel caso di guasto a terra, una lampada si spegne, mentre le altre due,
alimentate dalla tensione concatenata, divengono più luminose.
Esecuzione dell’Impianto di Terra
•
Per impianto di terra si intende l’insieme dei dispersori, dei conduttori di
terra, dei conduttori di protezione e dei conduttori equipotenziali.
La corretta scelta ed applicazione di ciascun elemento dell’impianto di
terra è condizione indispensabile per rendere affidabile il sistema di
protezione.
•
Un errore, un difetto, una dimenticanza nei conduttori di fase si rivelano
tramite una disfunzione dell’impianto, mentre nei circuiti di protezione
possono rimanere latenti e manifestarsi solo tramite un infortunio.
Il Dispersore (1)
• Il dispersore è un corpo metallico, o un complesso di corpi metallici, posto in
contatto elettrico con il terreno e destinato, o utilizzato, per realizzare il
collegamento elettrico con la terra. Ad esso si chiede in genere una bassa
resistenza di terra e una geometria tale da contenere le tensioni di contatto;
esso deve essere per dimensione e costituzione tale da resistere alla
corrosione del terreno.
• I dispersori vanno collocati, per quanto possibile, l’uno lontano dall’altro,
poiché due dispersori vicini sono meno efficienti di due dispersori lontani.
Vanno collocati in terreno umido, con bassa resistività. Occorre evitare la
posa dei dispersori vicino agli scarichi di prodotti industriali, chimici, ecc… La
rapida corrosione a cui tali dispersori sono soggetti annulla completamente il
vantaggio derivante dalla minor resistività del terreno.
• Vengono interrati a 0.5 – 0.8 m di profondità. Eventuali dispersori immersi in
acque di fiumi, laghi, canali, ecc…, è bene che siano posti a non meno di
cinque metri sotto il livello dell’acqua per evitare il formarsi di tensioni in
superficie, pericolose per chi si bagnasse in quelle acque.
Il Dispersore (2)
• A volte la resistività del terreno è particolarmente elevata e diventa arduo
eseguire un buon impianto di terra. Per diminuire la resistività si asporta il
terreno intorno al dispersore e lo si sostituisce con altro di elevata
conducibilità (argilla, grafite, ecc…). E’ sufficiente rendere conduttore il
terreno nelle immediate vicinanze: la maggior parte della resistenza di terra è
concentrata nei pressi del dispersore.
• I dispersori possono essere intenzionali o di fatto. I dispersori intenzionali
sono posti nel terreno al solo fine di disperdere corrente; i dispersori di fatto
sono corpi metallici interrati ad altri fini, ma che possono contribuire a
realizzare il collegamento elettrico con la terra (tubazioni metalliche interrate,
armatura metallica dei sistemi di fondazione e del cemento armato interrato,
serbatoi metallici interrati, etc…
Il Dispersore (3)
• Per l’impianto di terra in bassa tensione il dispersore più idoneo è un anello
che segua il perimetro dell’edificio. Il dispersore può essere posato durante le
opere di scavo delle fondazioni. I picchetti sono meno efficienti per diminuire
la resistenza di terra.
• La maniersa più idonea per conciliare l’affidabilità dei dispersori intenzionali
con la capacità disperdente dei dispersori di fatto è di costituire la cosiddetta
terra di fondazione: i dispersori intenzionali vengono posati nel momento più
adatto e nella maniera più opportuna, cioè durante le opere di fondazione
della costruzione. I dispersori intenzionali vengono interconnessi ai dispersori
di fatto durante la costruzione dell’edificio. Si ottiene così un sistema
disperdente unico, economico ed efficiente, la cui affidabilità è stata prevista
fin dalla progettazione.
• Il conduttore di terra è il conduttore che collega i dispersori al collettore (o
nodo) principale di terra. Il conduttore di protezione è il conduttore che
collega le masse al collettore. Essi devono sottostare a dei requisiti di sezioni
minime, in accordo alle norme (riscaldamento, corrosione). Devono essere
protetti da eventuali danni meccanici, chimici, ecc…
La Corrosione del Dispersore
•
La corrosione costituisce un grosso problema per l’impianto di terra.
•
Il rame, per la sua posizione nella serie voltaica, è tra i conduttori
meno esposti alla corrosione, comportandosi da catodo rispetto alla
quasi totalità degli altri conduttori. Può però provocare la corrosione
degli altri elementi metallici presenti nella zona.
•
E’ sconsigliabile abbinare ad es. un dispersore di rame ad un
dispersore di ferro zincato, oppure utilizzare giunzioni ramealluminio (cavi e picchetti).