La maggior parte dei dispositivi e delle macchine che utilizziamo funzionano grazie all'energia elettrica. L'impiego di energia elettrica è molto vantaggioso ma introduce dei fattori di rischio nei confronti di cose e persone. Per evitare danni e infortuni occorre ridurre al minimo la probabilità di guasti e utilizzi impropri da parte di persone inesperte.

Molte funzioni del nostro corpo - ad esempio il movimento dei muscoli - sono controllate dal sistema nervoso attraverso degli impulsi elettrici. Se una corrente esterna attraversa il corpo si ha un infortunio detto folgorazione (o elettrocuzione) che consiste in un alterazione delle funzioni vitali con effetti più o meno nocivi fino alla morte dell'infortunato. Il passaggio di corrente avviene se l'infortunato entra in contatto con una parte in tensione; in questo caso il corpo si comporta come un conduttore e la corrente è determinata dalla legge di Ohm:

`I = V_text(contatto) / R_text(corpo) `

La tensione di contatto è spesso quella di rete, cioè una tensione alternata sinusoidale con frequenza di 50 Hertz e valore efficace di 230 Volt, molto superiore alla tensione di contatto limite convenzionale pari a 50 Volt. La resistenza invece è molto variabile e dipende da diversi fattori: umidità, zona di contatto, percorso della corrente, ecc.

Per valutare la sicurezza elettrica si considera un valore cautelativo di 1000 Ohm (CEI 11-8).

L'entità del danno non dipende solo dal valore della corrente ma anche:

• dalla durata del contatto
• dal percorso della corrente attraverso il corpo (più pericolosa se coinvolge la regione cardiaca (vedi fig. 6) e dalla fase del ciclo cardiaco al momento del contatto
• dal tipo di corrente (la continua è meno pericolosa)
• dalla frequenza (valori molto elevati sono meno pericolosi)
• dalle condizioni fisiche dell'infortunato (peso, salute, sesso, età)

La pericolosità della corrente è valutata con criteri statistici e, per correnti alternate a 50 Hz, può essere riassunta dalla curva di pericolosità corrente-tempo di fig. 7. In questa riconosciamo quattro zone, a cui corrispondono effetti via via maggiori:

Osserviamo che:

• la fibrillazione è particolarmente pericolosa perché è un fenomeno irreversibile che porta all'arresto cardiaco, risolvibile solo con l'impiego di un defibrillatore
• per valori elevati di corrente aumentano le probabilità di arresto cardiaco/respiratorio e si manifestano ustioni esterne e interne dovute all'effetto Joule
• il limite di non pericolosità convenzionale è di 10 mA ¹⁾

Vedi quanto detto nel paragrafo 2.

Prima di affrontare questo argomento è necessario dare alcune definizioni:

• le parti attive di un apparecchio o di un impianto elettrico sono quelle che nel normale funzionamento sono sottoposte a tensione (ad esempio i conduttori che alimentano una lampada)
• l'isolamento funzionale è quello che permette il funzionamento dell'impianto o dell'apparecchio (ad esempio le guaine che impediscono il contatto tra i conduttori di fase e neutro)
• si parla di doppio isolamento quando è presente un isolamento aggiuntivo per motivi di sicurezza
• le masse sono tutte le parti conduttrici che normalmente non sono in tensione ma che possono andare in tensione in caso di guasto (ad esempio l'involucro metallico di un elettrodomestico)
• le masse estranee sono quelle masse che non fanno parte dell'impianto o dell'apparecchio (ad esempio le tubature dell'acqua)

Una persona è sottoposta a tensione quando è contemporaneamente in contatto con due punti a potenziale diverso. Di solito uno dei due punti è la terra che ha un potenziale di 0 Volt. In base al punto di contatto si distingue tra²⁾:

• contatti diretti quando si toccano parti normalmente in tensione (parti attive)
• contatti indiretti quando si toccano parti normalmente non in tensione (masse) che sono andate in tensione a causa di un guasto

Facciamo due esempi:

• si ha un contatto diretto se, sostituendo una lampadina, tocchiamo una parte del del portalampada sottoposta a tensione³⁾
• si ha un contatto indiretto se tocchiamo l'involucro metallico di un motore elettrico che per un guasto di isolamento si trova sotto tensione

La protezione dai contatti diretti si ottiene isolando le parti normalmente sotto tensione in modo da impedire sia i contatti accidentali che volontari. Si distingue tra:

• protezioni totali, per personale non addestrato, quali:
  • involucri accessibili solo usando attrezzi (es. il case di un computer)
  • barriere accessibili da una sola direzione (es. supporto di un interruttore o di una presa)
  • isolamento non rimovibile (es. la guaina di una cavo)
• protezioni parziali, per personale addestrato, quali:
  • ostacoli rimovibili solo intenzionalmente (es. rete metallica di protezione)
  • distanziamento tra le parti a tensione diversa in modo che non siano accessibili contemporaneamente

Spesso gli involucri sono contrassegnati da una sigla, il codice IP (International_Protection), che indica il grado di impenetrabilità ai corpi solidi (prima cifra) e ai liquidi (seconda cifra). Ad esempio se un involucro ha un grado di protezione IP55 significa che è protetto dalla polvere e da getti d'acqua.

La protezione dai contatti indiretti è realizzata:

• interrompendo l'alimentazione, con l'impianto di terra e gli interruttori automatici
• senza interrompere l'alimentazione ma prevenendo l'infortunio con:
  • il doppio isolamento negli apparecchi elettrici
  • la separazione elettrica con un trasformatore di isolamento

Negli impianti elettrici di solito si utilizza la soluzione con interruttori automatici. Il doppio isolamento invece viene utilizzato spesso nelle apparecchiature elettriche ed è indicato da simbolo in figura.

La protezione mediante trasformatore di isolamento, utilizzata più raramente, prevede la separazione dell'impianto dalla rete elettrica con un trasformatore. Il trasformatore trasmette la potenza elettrica dalla rete agli apparecchi collegati all'impianto mantenendo i due circuiti elettricamente separati. In questo caso, dal momento che l'impianto non è collegato a terra, anche in caso di contatto con una parte in tensione non può circolare corrente perché non c'è un percorso chiuso.

Una soluzione alternativa che protegge sia dai contatti diretti che indiretti è quella di utilizzare sistemi a bassissima tensione detti SELV (fig. 9). Si tratta di impianti particolare dove tensione viene ridotta ad un valore non pericoloso - in genere 50 Volt - per cui, anche in caso di contatto, non si hanno rischi per la sicurezza. Il grosso svantaggio è che in questi impianti non è possibile utilizzare apparecchi standard, progettati per funzionare a 230 Volt).

Il sistema di protezione con interruzione dell'alimentazione è quello normalmente impiegato negli impianti elettrici e funziona grazie al coordinamento tra interruttori automatici differenziali e impianto di terra. Questo sistema prevede la circolazione di una corrente di dispersione verso terra in caso di guasto. Questa corrente viene rilevata dall'interruttore differenziale che, in maniera automatica, interrompe l'alimentazione ponendo fine al guasto. Questo sistema è efficace solo se nell'impianto sono presenti sia l'impianto di terra che l'interruttore automatico differenziale. Il coordinamento delle protezioni stabilisce che:

• considerata una tensione di contatto limite convenzionale di 50 Volt
• impiegando interruttori differenziali ad alta sensibilità, dove la corrente differenziale nominale di intervento è pari a 30 mA
• la resistenza verso terra calcolata con la legge di Ohm deve essere `R_E <= V_L / (0,03) = 1,67 kΩ`

Questo valore è piuttosto alto ed è facile realizzare in impianto di terra con valori molto inferiori.

In un impianto domestico il gestore dell'energia (ad esempio l'ENEL) fornisce l'energia elettrica attraverso i conduttori di fase e neutro. Tra i due conduttori è presente una tensione alternata di 230V (si tratta del valore efficace, non di quello massimo) a 50Hz. Il neutro ha un potenziale di 0 Volt perché è collegato a terra. In Italia la distribuzione dell'energia elettrica in bassa tensione è fatta col sistema TT (pag. 248) dove:

• la prima T indica che il neutro è messo in terra dall'Enel alla partenza della linea
• le masse sono collegate a terra attraverso l'impianto di terra dell'utente

In definitiva ogni impianto in bassa tensione è dotato di:

• contatore e interruttore generale
• interruttori automatici (differenziale e per sovracorrenti)
• impianto di terra

L'impianto di terra è realizzato dal proprietario dell'impianto e serve a collegare a terra le masse attraverso i cavi di colore giallo-verde (detti PE) e un dispersore piantato nel terreno. Negli apparecchi elettrici questo collegamento avviene tramite il polo centrale della spina di alimentazione.

In condizioni di funzionamento normali la corrente scorre attraverso l'apparecchio senza interessare l'impianto di terra e la corrente del conduttore di fase è uguale a quella del neutro. In caso di guasto invece la situazione è quella illustrata nella figura 10. Un guasto di isolamento fa si che una parte della corrente entrante si disperda verso terra. La corrente dispersa (I_d), data dalla differenza tra I_F e I_N, può circolare perché la terra dell'impianto è in comunicazione con quella dell'ENEL; tuttavia proprio la presenza di questa corrente fa scattare l'interruttore differenziale che apre automaticamente quando I_F e I_N sono diverse.

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