Energia elettrica, terza parte

15 maggio 2007 lezione n. 26

Problemi introdotti dalle masse estranee

Sistema TT

Massa estranea: Dallo schema notiamo che le masse estranee e le altre masse sono collegate a terra: abbiamo un sistema equipotenziale. In caso di guasto la corrente passa nel conduttore di protezione, va verso terra e poi fluisce verso la terra della cabina.

Analizzando il fenomeno dal punto di vista delle masse quando c’è un guasto, possiamo immaginare che ci sia un generatore di corrente che genera la corrente di guasto; in realtà non c’è il generatore ma una massa a terra. Nei sistemi TT quando circola questa corrente tutte le masse vanno allo stesso potenziale e questo è indipendente dal punto dove si verifica il guasto; questo avviene perché le correnti di guasto sono molto piccole nei sistemi TT e quindi l’impedenza del cavo pesa molto poco: abbiamo minime cadute di tensione.

Quindi è sufficiente un collegamento equipotenziale per sistemare le cose, al limite posso fare ulteriori collegamenti equipotenziali. Naturalmente nei TT ci sono differenze di potenziale ma sono talmente piccole da poter essere trascurate.

Sistema TN

Le masse si collegano al conduttore di protezione, il quale va al centro stella della cabina; quindi dal punto di vista del guasto è come se avessi un collegamento metallico diretto, perché la corrente va dalla massa guasta al conduttore di protezione e poi al centro stella: quindi ho correnti molto forti (1000-2000A). Le cadute di tensione hanno un peso che dipende dal punto in cui avviene il guasto.

Consideriamo un guasto sulla carcassa A; in funzione della distanza dal punto di guasto: all’inizio del conduttore è nulla e cresce al crescere della lunghezza; raggiunto il punto di innesto del conduttore, la tensione del conduttore di protezione rispetto a terra è costante. Quindi le masse interessate hanno lo stesso potenziale, ma le altre no; ciò è ancora più evidente se considero la massa estranea.

Posso pensare di risolvere la questione collegando l’interruttore di protezione alla massa estranea; nonostante il collegamento equipotenziale, a causa delle caratteristiche del TN, le masse e le masse estranee non sono esattamente allo stesso potenziale. Per questo c’è la regola che dice che se voglio mantenere il guasto per oltre 5 secondi devo verificare che tra le masse e le masse estranee non nascano tensioni superiori a 50V; questo perché nel TN conta, ai fini della sicurezza, sia il punto dove avviene il guasto che il punto dove ho fatto il collegamento equipotenziale.

Per questo nei sistemi TN è fondamentale l’equipotenzializzazione di tutte le masse e di tutte le masse estranee attraverso conduttori supplementari; quindi si collegano al tubo più conduttori. Per ora abbiamo valutato la sicurezza all’interno dell’area equipotenziale, e non all’esterno; se consideriamo l’area esterna, nel TN devo usare un differenziale.

Tensioni sul neutro nel TN

Il neutro può andare in tensione in seguito a un guasto sulla media o sulla bassa. Ora analizziamo il guasto sulla bassa in un sistema TNC: abbiamo una fase che va a terra e ciò causa una sovratensione che si riporta su tutte le masse; noi dobbiamo fare in modo che tale tensione sia inferiore al valore limite. Se analizziamo il circuito vediamo una serie di due resistenze: la R_N (resistenza di messa a terra del neutro) e la R_E (resistenza di guasto, che in caso di guasto franco a terra è nulla). La condizione che ci interessa ottenere è questa: [R_N / (R_E + R_N)] ≤ U_E.

Praticamente abbiamo un partitore di tensione dove la R_N determina la resistenza sulla massa. Questa condizione dovrebbe essere rispettata sempre, cioè si dovrebbe sempre mettere un limite alla resistenza R_E. Siccome il neutro è messo a terra non solo in cabina ma in modo più distribuito, la R_N avrà un valore; se esplicitiamo la relazione in base a R_N otteniamo il valore massimo della resistenza verso terra: è importante sia per l’impianto privato che per il distributore pubblico.

Passaggio da sistema TNC a TNS e viceversa

Su questo tipo di guasto, avere un TNC o un TNS non fa differenza, perché la tensione viene comunque riportata alle masse dal conduttore di sicurezza. Invece tutti i casi in cui si manifestano tensioni sul neutro sono influenzati dall’avere un TNC o un TNS. Per esempio, il caso più banale è avere squilibri: le correnti di squilibrio passano nel neutro, quindi determinano nel neutro una differenza di potenziale rispetto a terra, quindi se ho più apparecchi nell’impianto non avranno lo stesso potenziale perché sono collegati in punti diversi; questo problema non è tra i più sentiti ma è comunque un problema.

Analizziamo il guasto tra fase e neutro: il neutro ha una tensione diversa in ogni punto, e ciò ha effetti sulle masse che sono collegate appunto al neutro. Analizziamo ora il caso di carico monofase dove si interrompe il conduttore di neutro, che è anche di protezione perché è un TNC; questa situazione è molto pericolosa e non dovrebbe mai verificarsi; consideriamo ad esempio di avere come carico una lampada: se si interrompe il neutro, la carcassa dell’apparecchio va alla tensione di fase (220V), quindi c’è una situazione di pericolo.

Quindi il TNC non piace perché se si interrompe il neutro sui carichi monofase mi ritrovo tensioni di fase. Mi proteggo rispetto all’interruzione del neutro usando un conduttore molto robusto (almeno 10mm²) per evitare la rottura; ci sono casi in cui ho una coppia di fusibili di protezione sul carico (lampada): se interviene questo fusibile ci ritroviamo sulla linea a valle del fusibile una tensione di 220V. Quindi nel TNC non si usano protezioni con fusibile perché può avvenire che intervenga un solo fusibile; infatti non si usa la stessa sezione per i conduttori di fase e di neutro, quello di fase ha sezione maggiore, quindi interviene prima il fusibile del neutro perché va prima in sovraccarico.

Queste sono tutte situazioni di pericolo che sconsigliano l’uso del sistema TNC che è praticamente abbandonato o comunque usato solo in brevi tratti. Se comunque lo volessi usare devo usare una sezione per il neutro di 10mm² se il conduttore è di rame, mentre se in alluminio di 16mm²; inoltre non posso mai avere sistemi di protezione unipolari ma esclusivamente bipolari o tetrapolari (cioè che consentano l’apertura simultanea di tutti i circuiti).

Il TNS non è pericoloso nei casi esaminati precedentemente. Prendiamo un solo caso come esempio: se abbiamo un apparecchio monofase con carcassa collegata al conduttore di protezione, in caso di corrente di squilibrio sul neutro, ho comunque sovratensioni ma non sulle masse. Quindi il TNS isola le tensioni sul neutro e non le riporta alle masse. Nel TNS anche se interrompo il neutro non sto interrompendo il conduttore di protezione.

Passaggio da sistema TNC a TNS e viceversa

È possibile iniziare un impianto come TNC e poi derivarlo in TNS, ma non il contrario.

È meglio il sistema TT o il sistema TN?

Si può scegliere se usare l’uno o l’altro solo se abbiamo la cabina nostra. Per ora non abbiamo tutte le informazioni per poter rispondere: infatti da un lato abbiamo visto che nel TT possiamo risparmiare sull’impianto di terra locale da fare, ma dall’altro lato spendiamo di più per le protezioni differenziali.

La caratteristica del TN invece è: unico impianto di terra esteso, che non entra mai in gioco nei guasti BT, e non ho bisogno di dispositivi particolari per la sicurezza. Se ho un guasto in cabina: il TT sottopone le apparecchiature a uno stress sull’isolamento; quindi dal punto di vista della sicurezza per le persone il TT è vantaggioso ma sottopongo le apparecchiature a uno stress. Nei TN invece il guasto MT crea una situazione di pericolo per le persone, anche lontane dalla cabina, senza però sottoporre gli apparecchi a una situazione critica. Un sistema è più orientato verso la sicurezza delle persone e l’altro verso la sicurezza delle apparecchiature.

16 maggio 2007 sistema IT lezione n. 27

Introduzione al sistema IT

Nella scorsa lezione abbiamo visto il sistema TT e il sistema TN, oggi vediamo il terzo modo di collegamento a terra, al quale corrisponde una modalità di protezione per interruzione automatica dell’alimentazione: sistema IT, ovvero un sistema realizzato in questo modo:

Qual è la peculiarità del sistema IT e l’idea che sta dietro? Diciamo che rientra nei sistemi per interruzione automatica della corrente quando si verifica un guasto, in realtà però, a differenza degli altri sistemi, l’interruzione non avviene al primo guasto, ma ci vogliono due guasti per determinare l’intervento delle protezioni. Questo perché se noi abbiamo un guasto, come si vede in figura, non c’è possibilità di circolazione della corrente, perché non c’è un circuito chiuso attraverso il quale la corrente possa richiudersi; in realtà adesso non c’è un circuito chiuso perché il modello è volutamente semplificato, infatti non sono rappresentate le capacità verso terra dei conduttori, tramite le quali io avrei ovviamente la richiusura del circuito, in analogia proprio con quello che succede nelle reti MT a neutro isolato.

Qual è però la differenza tra questi due casi? Se nel sistema MT a neutro isolato le capacità sono tali da far circolare nelle reti correnti che arrivano fino a 200 A per il guasto a terra, in bassa tensione invece l’estensione limitata, fa sì che noi abbiamo correnti molto più basse, a limite in molti casi trascurabili. Per avere un ordine di grandezza, possiamo dire che in un sistema BT 230/400, l’entità delle correnti capacitive di guasto verso terra nel caso di primo guasto, è dell’ordine di grandezza di 0.4 A per ogni 1000 kVA di potenza, quindi per ogni MVA, un valore molto grande di potenza in un sistema di bassa. Le capacità dei cavi di bassa tensione sono così piccole, che la corrente di guasto a terra, è tale che noi rendiamo automaticamente soddisfatta la condizione che ci interessa. Nella resistenza passerà una piccola corrente di guasto Ig (vedi figura) che si richiuderà verso le capacità che non abbiamo disegnato, questa corrente di guasto è in grado di far sì che la resistenza di terra Rt per la corrente di guasto Ig è sempre minore o uguale alla tensione limite Ul. Rt · Ig ≤ Ul.

Vantaggi e condizioni del sistema IT

Al primo guasto, il sistema è quindi sicuro e non c’è alcuna necessità di fare intervenire le protezioni, appunto perché la tensione sta sotto la tensione limite. Ovviamente questa condizione va verificata, ma è verificata nella stragrande maggioranza dei casi. Si tratta di non esagerare con l’estensione del sistema BT, e di non esagerare con le potenze in gioco, ma questo poi è automaticamente verificato, in quanto con il sistema di bassa tensione non posso coprire distanze sostenute.

Il vantaggio principale del sistema IT è che riesco a gestire un impianto con un difetto d’isolamento verso terra, senza dover interrompere l’alimentazione; quindi il vantaggio è principalmente orientato al mantenimento della continuità del servizio, evitando così interruzioni intempestive, che possono essere indesiderate per vari motivi. Per esempio, una variante del sistema IT, detta IT-M, viene adoperata nelle sale ospedaliere, in modo particolare nelle sale operatorie, proprio per evitare che un paziente sottoposto ad un intervento in caso di qualche apparecchio con difetto di isolamento venga a trovarsi in condizioni di rischio perché viene a mancare l’alimentazione nella sala operatoria; questa è per l’appunto una tipica applicazione del sistema IT.

Il sistema IT, con la sua funzionalità, ci protegge dai contatti indiretti, ma non è ammissibile il contatto diretto. Non posso lasciare tutto scoperto perché penso di essere protetto, ci stiamo affidando completamente all’affidabilità del trasformatore di figura, che avrà anche un primario, e se allora noi abbiamo un guasto in queste condizioni ci ritroviamo in condizioni di pericolo (vedi figura di pag. 1), le correnti sono piccole e moltiplicate per la resistenza mi danno una tensione sotto quella limite, però se faccio contatto diretto quella corrente fluirebbe tutta attraverso una persona, questo ci fa capire che questa modalità IT non è anche per contatti diretti, quindi per proteggerci da questi ultimi dobbiamo usare barriere, distanziamenti, diaframmi e tutto ciò che serve per impedire il contatto accidentale con parti in tensione. Nella figura è rappresentata la persona che tocca la fase meno critica, perché la corrente che passa è molto piccola in quanto può richiudersi solo attraverso la capacità, ma se avesse toccato l’altra fase la corrente avrebbe avuto una richiusura, ed avremmo messo così la persona in condizione di pericolo, ovviamente considerando che un primo guasto si ha già nell’apparecchiatura. Ricordare quindi che l’IT non protegge dai contatti diretti, ma protegge dai contatti indiretti, a patto che venga verificata la condizione {Rt · Ig ≤ Ul}.

Problemi e soluzioni nel sistema IT

Abbiamo appena descritto il sistema IT tra le modalità di interruzione automatica dell’alimentazione quando invece non viene interrotta l’alimentazione nell’IT, quale è il problema di questo tipo di sistema? Al primo guasto va tutto bene, io mantengo alimentato l’impianto e la persona non corre pericoli, ma il problema è che, non solo tengo alimentato l’impianto, ma se non prendo accorgimenti specifici, neppure mi accorgo che c’è questo guasto. Questa situazione può andare avanti indefinitamente, quando abbiamo solo un primo guasto, inoltre sale la probabilità che venga a verificarsi un secondo guasto con il passare del tempo. Ipotizzando quindi che venga a guastarsi un secondo apparecchio, ci troviamo nella situazione di doppio guasto descritta prima.

Ma adesso la corrente ha un percorso, attraverso i conduttori e i due guasti (vedi figura sotto): il doppio guasto in questo esempio è alimentato dalla tensione concatenata, quindi è una corrente elevata, ed è simile a quella che viene a circolare se avessimo un sistema TN. E posso pensare: se io non equipotenzializzo le masse questo problema non lo avrei, è vero, però se non faccio l’equipotenzializzazione mi ritroverei differenza di potenziale tra le masse, quindi nel doppio guasto, se io isolo le masse mi ritroverei tra loro 380 V; per cui è bene fare l’equipotenzializzazione.

Poi vediamo se gestire il sistema in modo che al doppio guasto si trasformi in un TN o in un sistema IT; la situazione che stiamo vedendo è quella migliore, cioè consigliata dalle norme, doppio guasto che si trasforma in un TN. Se questo è un TN al doppio guasto, non potremo mantenere indefinitamente questa situazione, perché ci ritroveremo verso terra una tensione dell’ordine dei 95-100 V, che non può permanere indefinitamente. Allora cosa si deve fare? Una volta che il sistema si è trasformato in un TN dovrò interrompere l’alimentazione, perché questa condizione di doppio guasto mette in pericolo le persone, e siccome appunto si è trasformato in un TN, la condizione da verificare è quella sull’anello di guasto. Cioè si va a verificare che l’anello di guasto lasci circolare una corrente che fa intervenire il dispositivo nel tempo preventivato; se ci riferiamo alla condizione base, abbiamo quei 0.4 secondi da considerare come riferimento.

Verifica dell'anello di guasto

Qual è la difficoltà aggiuntiva rispetto al TN diciamo standard? La difficoltà aggiuntiva sta nel fatto che qui gli anelli di guasto sono tantissimi, perché dovrei andare a considerarmi almeno tutte le possibili coppie di guasti. Diventa molto complicato venire a valutare tutti i possibili anelli di guasto che vengono a formarsi nel sistema. La norma suggerisce allora un approccio più semplice per valutare l’anello di guasto, e considera quindi il guasto singolo di un apparecchio, come se fosse un TN a tutti gli effetti, chiede di calcolare l’impedenza dell’anello di guasto, esattamente come si fa di solito, però poi ci fa ridurre il valore trovato del 50%. Per farla più semplice, se io considero l’impedenza dell’anello di guasto in un sistema TN: Z_g ≤ √3 U_o / 2 I_a.

Con U_o la norma indica la tensione di riferimento, ci stiamo riferendo alla tensione concatenata con √3 U_o, e l’anello di guasto deve essere più piccolo di questa tensione diviso la corrente che fa intervenire questo dispositivo nel tempo predefinito. Questo vale per un sistema TN, per un sistema TT al doppio guasto dovrei analizzarmi tutte le coppie, allora dovrei considerare il carico più lontano, e considerare un percorso che passa attraverso il conduttore di protezione e attraverso un altro guasto, quindi la corrente sarà necessariamente limitata. Viene allora ipotizzato che di tutta l’impedenza dell’anello di guasto, il 50% dipenda da un carico, e il 50% dall’altro; quindi la verifica consiste per l’appunto nel prendere più piccola quell’impedenza Z_g di quella frazione.