Sicurezza Elettrica Prima Lezione Corso di Elettrotecnica II

Sicurezza Elettrica Prima Lezione Corso di Elettrotecnica II (per ing. Biomedica) Prof. L. Di Rienzo

Introduzione • In Italia si verificano mediamente cinque infortuni elettrici mortali ogni settimana: un primato europeo! • I luoghi più pericolosi, dal punto di vista elettrico, sono i cantieri edili e i locali da bagno o per doccia. • La maggior parte degli infortuni sono causati dagli impianti di bassa tensione non conformi alla regola dell’arte, ed in misura minore dai componenti elettrici e dall’errore umano. • Molti infortuni avvengono per contatto con le linee elettriche aeree esterne, di media tensione; i mezzi di contatto più frequenti sono le gru, le autobetoniere, le aste metalliche, le canne da pesca. • Almeno il 10% di tutti gli incendi hanno origine dall’impianto elettrico o dagli apparecchi elettrici utilizzatori.

La Normativa (1) • Il Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) è una associazione senza fine di lucro che ha tra l’altro lo scopo di “stabilire i requisiti che devono avere i materiali, le macchine, le apparecchiature e gli impianti elettrici perchè essi rispondano alle regole della buona elettrotecnica, e i criteri con i quali detti requisiti debbono essere controllati”. I fondatori sono: CNR, AEI, ENEL, ANIE (Associazione Nazionale Industrie Elettrotecniche ed Elettroniche). • Esiste anche la IEC (International Electrotechnical Commission), che raccoglie tutti i paesi industrializzati del mondo. Il CEI partecipa attivamente ai lavori normativi internazionali; le norme nazionali sono allineate e continuamente aggiornate con gli sviluppi normativi internazionali. • Esistono due segni grafici corrispondenti a due diversi accertamenti della conformità del produttore alle norme CEI: il contrassegno CEI e il marchio IMQ.

La Normativa (2) • Il contrassegno CEI viene applicato dal costruttore ai prodotti che, secondo il suo parere, corrispondono alle norme CEI. Si tratta quindi di una autocertificazione di rispondenza alle norme, che ricade sotto la completa responsabilità del costruttore. • Su alcuni prodotti di grande serie, soprattutto ad uso domestico, il costruttore può richiedere la concessione del marchio IMQ (Istituto del Marchio di Qualità). Il marchio IMQ fornisce più garanzie all’utente che non il contrassegno CEI. • La legge 186/1968 sancisce che: Art. 1 “Tutti i materiali, le apparecchiature, i macchinari, le istallazioni e gli impianti elettrici ed elettronici devono essere realizzati e costruiti a regola d’arte”; Art. 2 “I materiali, le apparecchiature, i macchinari, le istallazioni e gli impianti elettrici ed elettronici realizzati secondo le norme del CEI si considerano costruiti a regola d’arte” (dunque condizione sufficiente ma non necessaria!).

La Normativa (3) • Questo criterio è finalizzato a non impedire l’innovazione. Ovvero, un apparecchio innovativo può non ancora essere oggetto di una norma, ma funzionare meglio di quelli esistenti. • Dunque le norme CEI non sono norme di legge. • A livello europeo esiste il CENELEC (Comitato Europeo per la Normalizzazione Elettrotecnica). • La legge 46/1990 si applica, oltre che a vari impianti tecnologici, agli impianti elettrici posti all’interno degli edifici, a partire dal punto di consegna dell’energia fornita dall’ente distributore, per gli immobili adibiti ad uso civile, ad attività produttive, al commercio, al terziario e ad altri usi e quindi, praticamente, per tutti gli impianti di proprietà dell’utente.

Effetti della Corrente Elettrica sul Corpo Umano • Fin dagli esperimenti di Luigi Galvani (1790) è noto che l’attività biologica si accompagna ad una attività elettrica. Quindi è facile intuire come correnti elettriche esterne, sommandosi alle piccole correnti fisiologiche interne, possano alterare le funzioni vitali dell’organismo, fino a provocare effetti letali. • Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo umano può determinare numerose alterazioni e lesioni, temporanee o permanenti. La corrente elettrica produce un’azione diretta sui vasi sanguigni, sul sangue, sulle cellule nervose; può determinare alterazioni permanenti nel sistema cardiaco (aritmie, lesioni al miocardio, alterazioni permanenti di conduzione), nell’attività celebrale (modificazione dell’elettroencefalogramma) e nel sistema nervoso centrale. • Gli effetti più frequenti e più importanti che la corrente produce sul corpo umano sono fondamentalmente quattro: 1. TETANIZZAZIONE 2. ARRESTO DELLA RESPIRAZIONE 3. FIBRILLAZIONE VENTRICOLARE 4. USTIONI

Tetanizzazione • Se uno stimolo elettrico è applicato ad una muscolo, esso si contrae, per poi ritornare allo stato di riposo. Se al primo stimolo ne segue un secondo, prima che il muscolo sia tornato allo stato di riposo, i due effetti possono sommarsi. Più stimoli opportunamente intervallati contraggono ripetutamente il muscolo in modo progressivo (contrazione tetanica). • La “tetanizzazione dei muscoli” è la contrazione involontaria dei muscoli interessati al passaggio della corrente. • E’ per questo motivo che l’infortunato, se attraversato da corrente alternata, può rimanere appiccicato alla parte in tensione; il contatto perdura nel tempo e può produrre svenimenti, asfissia, collasso, stato di incoscienza. • Il più elevato valore di corrente per cui il soggetto è ancora capace di lasciare la presa della parte in tensione con la quale è in contatto è la corrente di rilascio: Donne: 10 m. A (50 Hz); Uomini: 15 m. A (50 Hz) • Anche la corrente continua, se elevata, può produrre tetanizzazione, anche se in generale è meno pericolosa di quella alternata.

Arresto della Respirazione • Correnti superiori ai limiti sopra indicati per la corrente di rilascio producono nell’infortunato difficoltà di respirazione e segni di asfissia: il passaggio della corrente determina una contrazione dei muscoli addetti alla respirazione e una paralisi dei centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria; se la corrente perdura, l’infortunato perde conoscenza e può morire soffocato. • Circa il 6% delle morti per folgorazioni è dovuto ad asfissia. Di qui l’importanza della respirazione artificiale (bocca a bocca), della tempestività con la quale è applicata e della durata per cui è praticata. E’ necessario intervenire al max. entro 3 -4 min.

Fibrillazione Ventricolare • La contrazione del muscolo cardiaco nel suo normale funzionamento è prodotta da impulsi elettrici provenienti dal nodo senoatriale, che è un generatore biologico di impulsi elettrici che comandano il cuore. • All’attività elettrica normale corrisponde il pulsare ordinato e ritmico del muscolo cardiaco; quando giunge l’azione perturbatrice esterna le fibrille ricevono segnali elettrici eccessivi ed irregolari, vengono sovrastimolate in maniera caotica e iniziano a contrarsi in modo disordinato, l’una indipendentemente dall’altra, sicchè il cuore non riesce a svolgere più la sua funzione. • La fibrillazione ventricolare è responsabile di oltre il 90% delle morti per folgorazione. • In passato la fibrillazione ventricolare era ritenuta un fenomeno irreversibile, che prosegue fino alla morte dell’infortunato. • E’ stato dimostrato più di recente che una scarica elettrica violenta opportunamente dosata può arrestare la fibrillazione stessa (apparecchio defibrillatore). Essa deve essere però applicata in breve tempo.

Ustioni • Il passaggio di corrente elettrica su una resistenza è accompagnato da sviluppo di calore per effetto Joule; il corpo umano non fa eccezione a questa regola generale. • Le ustioni peggiori si hanno sulla pelle, perchè questa presenta una resistività maggiore rispetto agli altri tessuti. • Inoltre la densità di corrente è magiore in corrispondenza dei punti di entrata e di uscita della corrente.

Limiti di Pericolosità della Corrente Alternata • Zona 1: nessuna reazione (al di sotto della soglia di percezione) • Zona 2: limite di pericolosità convenzionale • Zona 3: effetti fisiopatologici reversibili e tetanizzazione • Zona 4: probabilità di fibrillazione ventricolare (c 1: 5%, c 2: 50%, c 3: >50%) Nel caso della corrente continua si ha un diagramma simile anche se con livelli superiori

Correnti ad Alta Frequenza • La pericolosità della corrente diminuisce con l’aumentare della frequenza. In una corrente ad alta frequenza la durata dello stimolo è talmente breve che la corrente non influisce sulle cellule. • La tendenza della corrente ad alta frequenza a passare nello strato superficiale del corpo (effetto pelle) non influisce praticamente sullo stato della cellula. • La corrente ad alta frequenza produce comunque effetti termici che possono divenire pericolosi. • Il fattore per cui bisogna moltiplicare la soglia di 50/60 Hz, cioè il minimo valore di corrente che produce un determinato fenomeno per ottenere la soglia corrispondente a una frequenza superiore, prende il nome di fattore di frequenza.

Resistenza Elettrica del Corpo Umano (1) • Spesso ci si riferisce più alle tensioni pericolose che alle correnti pericolose. Ovviamente le due grandezze sono legate, tra loro tramite la legge di Ohm, alla resistenza elettrica del corpo umano: (Tensione di contatto) • In verità il corpo umano corrisponde, in termini circuitali, ad una impedenza capacitiva. La capacità Cp risiede principalmente nella pelle, che si interpone come isolante elettrico e il tessuto conduttore sottostante. Il carattere capacitivo dell’impedenza ZB risulta evidente solo sopra i 1000 Hz. • Ai 50 Hz l’impedenza è solo resistiva. E’ una grandezza estremamente variabile condizioni ambientali. Circuito equivalente del corpo umano

Resistenza Elettrica del Corpo Umano (2) • I parametri elettrici del corpo umano hanno una grossa variabilità tra gli individui e a seconda della situazione. Per esempio l’umidità diminuisce la resistenza della pelle. Il valore di Rb dipende dalla superficie di contatto, dalla pressione di contatto, dalla durata e dalla tensione del contatto. • Importanza del percorso:

Il Terreno come Conduttore Elettrico • La corrente che fluisce attraverso il corpo umano si chiude in genere tramite il terreno, salvo il caso particolare di una persona isolata da terra e in contatto simultaneo con due punti del circuito elettrico a diverso potenziale. • Il terreno svolge la funzione di conduttore elettrico tutte le volte che tra due suoi punti viene applicata, tramite degli elettrodi, una differenza di potenziale. Gli elettrodi, immersi nel terreno, prendono il nome di dispersori. • Si consideri un dispersore emisferico, sufficiente distante dall’elettrodo di ritorno per considerare il campo di corrente radiale. Ogni strato emisferico di terreno elementare di raggio r e di spessore dr, presenta al passaggio di corrente la resistenza:

Resistività del Terreno I fattori che più influiscono sono: • Tipo di mezzo disperdente: valori elevati si hanno per terreni rocciosi • Contenuto di umidità: al suo aumentare il mezzo diventa più conduttore e la resistività diminuisce • Temperatura del terreno: sopra 0 °C la resistività può essere considerata abbastanza costante, mentre sotto tale valore, per effetto del congelamento, aumenta di 4 – 5 volte.

Il Potenziale del Terreno • Si consideri un elettrodo emisferico di raggio r 0 che disperde la corrente I in un terreno omogeneo di resistività : • La resistenza di terra è il rapporto tra la tensione assunta dall’elettrodo e la corrente dispersa e si indica con:

Dispersori in Parallelo • Si considerino due elettrodi emisferici d’uguale raggio r 0 che disperdano la corrente I in un terreno omogeneo di resistività . Ciascun elettrodo disperderà la corrente I/2. Quando d>>r 0 i due dispersori possono considerarsi in parallelo:

Resistenza verso Terra di una Persona • In un contatto mano-piedi o mani-piedi la corrente fluisce attraverso il terreno. In tal caso sono i piedi appoggiati sul terreno a fungere da dispersori. • Si indica con RB la resistenza del corpo umano. In un contatto mano-piedi o mani-piedi, le resistenza RB+ REB rappresenta la resistenza della persona e del terreno fino a un punto all’infinito. REB è la resistenza verso terra di una persona.

Tensione Totale e Tensione di Contatto • Se la carcassa di un apparecchio è collegata a un dispersore di resistenza RE (carcassa messa a terra) e disperde la corrente di guasto I, essa assume la tensione UE=REI. La tensione alla quale è soggetto il corpo umano durante un guasto d’isolamento prende il nome di tensione di contatto UT. La tensione di contatto è minore, o al limite uguale, alla tensione totale di terra. La situazione tipica è la seguente: • UE è tanto più prossima a UT quanto più è piccola REB rispetto a RB. In sede normativa la resistenza del corpo è stata assunta pari a 1000 .

La Curva di Sicurezza Tensione-tempo (1) • Dunque nella pratica ci si riferisce, più che ai limiti di corrente pericolosa, ai limiti di tensione pericolosa. Gli uni e gli altri sono legati dalla legge di Ohm: per il tramite della resistenza RB del corpo umano e della resistenza della persona verso terra REB. • A complicare le cose si aggiunge il fatto che con il tragitto cambia sia il valore di RB sia la pericolosità della corrente. • Per curva di sicurezza tensione-tempo si intende la curva che individua il tempo per il quale è sopportabile un generico valore di tensione. • Per costruire tale curva bisogna partire dalla curva corrente-tempo.

Curve di Sicurezza Tensione-tempo (2) Tensione di contatto limite convenzionale

Pericolosità del Percorso • Lo stesso valore di tensione applicato tra punti diversi del corpo corrisponde a correnti diverse, perchè ad ogni percorso corrisponde un valore diverso di resistenza del corpo umano. • Lo stesso valore di corrente determina probabilità diverse di fibrillazione secondo il percorso. • I tragitti più pericolosi sono nell’ordine: 1. mani-torace 2. mano sinistra-torace 3. mano destra-torace 4. mani-piedi 5. mano-mano

Pericolosità della Tensione al Variare della Frequenza • La pericolosità della corrente elettrica che fluisce attraverso il corpo umano diminuisce al variare della frequenza. Allo stesso tempo l’impendenza del corpo umano diminuisce all’aumentare della frequenza (e varia con la tensione…). • Dunque la tensione? Un valore di tensione sicuro a 50 Hz è sicuro anche a frequenze superiori? • Un’analisi complessiva mostra che all’aumentare della frequenza anche la tensione, come la corrente, diminuisce la sua pericolosità.

Tipi di Isolamento • Isolamento funzionale: isolamento tra le parti attive e tra queste e la carcassa, senza il quale ne sarebbe impedito il funzionamento. • Isolamento principale: isolamento delle parti attive necessario per assicurare la protezione fondamentale contro la folgorazione. • Isolamento supplementare: ulteriore isolamento che si aggiunge al fine di garantire la sicurezza delle persone in caso di guasto all’isolamento principale. • Doppio isolamento: insieme dell’isolamento principale e dell’isolamento supplementare. • Isolamento rinforzato: unico isolamento al posto del doppio isolamento.

Contatti Diretti e Indiretti • Contatti diretti (a): Contatto con una parte dell’impianto normalmente in tensione, quale un conduttore, un morsetto, l’attacco di una lampada, divenuti casualmente accessibili. • Contatti indiretti (b): Contatto di persone con una massa, ad esempio la carcassa di un motore, o con una parte conduttrice connessa con la massa, durante un guasto di isolamento.

Il Contatto Indiretto • Il contatto indiretto è più insidioso del contatto diretto. Si può evitare il contatto diretto con una condotta prudente verso l’impianto elettrico, ma è impossibile evitare il contatto con le parti ordinariamente non in tensione. • La sicurezza nei confronti dei contatti indiretti risiede quindi solo nel sistema di protezione. • Gli infortuni da contatto diretto superano quelli da contatto indiretto nel rapporto 2/1 in ambiente domestico e 1. 3/1 sul lavoro. • Il contatto indiretto è pericoloso quanto il diretto; la percentuale di infortuni elettrici mortali è simile nei due casi.

La Massa • E’ 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 un cedimento dell’isolamento principale. • Una massa deve essere protetta contro il contatto indiretto. • Esempio: carcassa di un apparecchi di illuminazione. • Dunque il contatto indiretto è quello nel quale la persona è soggetta ad una tensione per il tramite di una massa, indipendentemente dal fatto che la massa sia collegata o isolata da terra. • Le parti attive sono invece tutti i conduttori o le parti conduttrici, facenti parte di componenti elettrici e che possono essere toccate, che non sono in tensione durante il funzionamento normale, compreso il conduttore di neutro. Si esclude il conduttore PEN.

Contatti Diretti e Indiretti Contatto diretto (la canna da pesca non è una massa!)

Classificazione dei Sistemi Elettrici (1) • Per sistema elettrico si intende il 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. Per sistemi trifase si considera come tale la tensione concatenata. • In relazione alla tensione si definisce: Bassissima tensione: U<50 V (AC) U<120 V (DC) Bassa tensione: 50 V<U<1000 V (AC) 120 V<U<1500 V (DC) Media tensione: 1 k. V<U<30 k. V (AC) 1. 5 k. V<U<30 k. V (DC) Alta tensione: U> 30 k. V

Trasmissione dell’Energia Elettrica • La trasmissione della potenza elettrica avviene quasi sempre con un sistema trifase. A valle dei generatori è posta una cabina di trasformazione, con trasformatori che elevano il livello di tensione concatenata a 220 k. V o 400 k. V. • A questi livelli di tensione (AT) è effettuata la trasmissione su lunghe distanze. • Dalla rete di trasporto e interconnessione, mediante stazioni di trasformazione, si dipartono le linee di ditribuzione primaria (AT, 130 k. V – 60 k. V), che fanno capo ad altre stazioni di trasformazione da cui partono linee a media tensione (MT, 20 k. V). • Alcuni utilizzatori sono direttamente alimentati in MT. Altre linee a 20 k. V fanno capo a cabine di trasformazione da cui partono le linee di utilizzazione (trifase a 4 conduttori) in BT. • Utilizzatori BT: -trifasi, per potenze elevate (> 10 k. VA); monofasi, per potenze modeste

Schema della Trasmissione dell’Energia Elettrica Stazioni primarie di trasformazione Cabine elettriche

Classificazione dei Sistemi Elettrici (2) • Gli impianti utilizzatori vengono alimentati dal 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 alla situazione 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 k. W): • 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 • In condizioni anomale del circuito, il neutro può assumere una tensione verso terra pericolosa. Nei sistemi TN questo evento corrisponde a un danno per le persone, poichè 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 elettrofornitrice 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 trsasformazione). • 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.