CORSO BASE
IMPIANTI ELETTRICI
MODULO 5 – SCARICHE ATMOSFERICHE
Vesione 3.0 / 2010
Corso di Base di Impianti Elettrici
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Ing. Stefano ELIA e Ing. Stefano PASQUALINI
In questa sede non viene discussa la complessa progettazione degli
impianti
parafulmine
(LPS),
vengono
solo
date
delle
nozioni
relative
all’impianto.
Ove una struttura non sia autoprotetta, ossia si trovi nelle vicinanze di un
qualcosa di più alto che la protegga (case, line elettriche, montagne, etc.),
necessita di un impianto di protezione dalle scariche atmosferiche. L’impianto,
di complessa progettazione, viene realizzato con gabbia di Faraday, con asta, o
sistemi misti. In caso di fulminazione l’impianto si occuperà di drenare la
corrente di fulmine nel terreno con i minori danni possibile (abbattimento del
rischio di perdite economiche ed umane, dovute in genere a incendi,
folgorazioni e sovratensioni).
Nel progetto dell’LPS è definito anche come deve essere realizzato
l’impianto di messa a terra, che normalmente è composto da numerosi
picchetti (almeno quante sono le calate) e da una corda di rame nudo che li
interconnette (funge anche essa da dispersore). Ovviamente, non possono
esistere pozzetti di terra non interconnessi all’interno di una struttura
alimentata.
Nel progetto vengono indicate tutte le interconnessioni tra le parti di
impianto e metalliche in genere e le discese dell’impianto di terra dell’LPS.
Tutte queste prescrizioni devono essere scrupolosamente rispettate.
In Figura seguente è riportato un esempio da cui si evince come la
protezione a gabbia di Faraday viene interconnessa all’impianto di terra e,
tramite il nodo principale di terra, a tutte le parti di impianto.
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Edificio dotato di parafulmine
A questo punto è fondamentale dare la definizione di massa estranea:
“Parte conduttrice non facente parte dell’impianto elettrico, suscettibile di
introdurre il potenziale di terra, in pratica la massa estranea non può
introdurre altri potenziali”. Per portare un esempio, una massa metallica
potrebbe essere considerata il cancello di una recinzione realizzato interamente
in ferro.
Nel caso di edificio senza parafulmine (struttura autoprotetta) non tutte le
masse metalliche vanno collegate a terra; ad esempio non vanno collegate
all’impianto di terra le masse estranee. Se una massa non interessata ne’ da
un LPS ne’ da un impianto elettrico viene collegata al conduttore di terra non si
fa altro che aumentare il pericolo ad essa associato. Di conseguenza è errato
collegare con ponticelli (come spesso si vede) tutte le parti metalliche di un
edificio a terra; questo deve essere fatto solamente se le parti metalliche sono
interessate dall’impianto elettrico (non sono masse estranee) e se si è in
presenza di LPS seguendo scrupolosamente le indicazioni di progetto. Ad
esempio, motorizzando il cancello in ferro di cui sopra, questo diviene parte a
contatto
con
l’impianto
elettrico
e
necessita,
quindi,
dei
ponticelli
di
collegamento alla terra.
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In ogni caso, anche in assenza di parafulmine, tutte le masse metalliche
che entrano nella struttura (possono portare sovratensioni o correnti di fulmine
dall’esterno) vanno comunque collegate a massa.
Edificio senza parafulmine
Normalmente, ed è il caso della figura, vengono collegate a terra (al loro
ingresso nella struttura) le linee elettriche, le linee telefoniche, le tubazioni
dell’acqua e del gas, etc..
ugli impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione”.
Protezione da sovratensioni
Il maggiore uso negli ambienti industriali e civili degli apparati elettronici,
come
computers,
logiche
programmabili
(PLC),
inverters,
convertitori,
trasduttori, ecc., obbliga ad assumere cure maggiori per tutto quanto può
incidere negativamente sul loro corretto funzionamento. E' ben nota la
sensibilità degli apparati elettronici ai picchi di sovratensione che, prodotti da
manovre sugli impianti (ad esempio manovre effettuate dai tecnici dell’ente
distributore) oppure da campi magnetici generati dai fulmini, entrano
all'interno della rete elettrica di stabilimento tramite i cavi elettrici; ciò può
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comportare
guasti
o
arresti
indesiderati,
che
possono
incidere
anche
pesantemente sulla produzione.
Limitare i picchi di sovratensione equivale ad elevare il grado di qualità
della tensione di alimentazione degli apparati elettrici ed elettronici di
stabilimento.
La necessità o meno di installare misure di protezione da scariche
atmosferiche
va
rilevata
seguendo
le
norme
CEI
81-10
relative
alle
sovratensioni per fulminazione diretta ed indiretta; queste norme sono relative
alla sicurezza degli ambienti e di chi vi si trova all’interno.
Le sovratensioni possono essere abbattute grazie all’installazione di
scaricatori di sovratensione, questi esistono tanto per la bassa tensione quanto
per la media (normalmente la protezione in MT si effettua negli ambienti
industriali all’arrivo in cabina). Gli scaricatori di sovratensione sono dei
dispositivi atti a deviare a terra i picchi di energia che si propagano nei cavi
delle linee elettriche sotto forma di "onde di sovratensione". Le onde di
sovratensione si spostano nelle reti elettriche a velocità estremamente elevata
(prossima della velocità della luce) e possono trasportare energie anche
rilevanti.
Le onde di sovratensione provocano un invecchiamento precoce degli
isolamenti; queste vanno alla ricerca di un punto debole dell'isolamento che
permetta loro di scaricare verso terra l'energia che trasportano. Se non è stato
installato un dispositivo adatto allo scopo, lo scaricatore di sovratensione
appunto, possono verificarsi due effetti a seconda dell’energia:
•
scarica di elevata energia che causa corto circuito, apertura delle
protezioni, disservizio, con possibile rischio di incendio, danni alle
persone ed alle cose;
•
scarica di bassa energia che comporta deterioramento degli isolanti
e degli apparecchi, scatti intempestivi delle protezioni e rottura e/o
malfunzionamento
di
sensibili
e
delicate
apparecchiature
elettroniche.
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Il compito dello scaricatore di sovratensione, collegato a terra, è quindi
quello di:
•
bloccare il passaggio di una significativa corrente di fuga tra fase e
terra alla tensione nominale;
•
intercettare e lasciare passare, cioè scaricare a terra, l'onda di
sovracorrente abbinata all'onda di sovratensione;
•
richiudere immediatamente il circuito evitando il disservizio;
•
essere in grado di ripetere varie volte dette operazioni.
La tecnologia costruttiva relativa agli scaricatori di sovratensione si è con
gli anni evoluta, passando dagli scaricatori in aria libera ("spinterometri"), a
scaricatori con vari tipi di dielettrico (ad esempio a carburi di silicio "SIC"). In
alcuni casi si utilizza anche il funzionamento in serie di spinterometri e di
scaricatori a semiconduttore.
L'ultima innovativa tecnologia costruttiva degli scaricatori di sovratensione
si basa su dispositivi con dielettrico senza aria, cioè senza "gap". In termini
tecnici vengono chiamati "varistori ad ossidi di metallo", in inglese "MOV"
(metal oxide varistors); il metallo è sostanzialmente lo zinco. In pratica, il MOV
è una resistenza collegata tra fase e terra che si avvale di una caratteristica
assai particolare: a tensione nominale blocca quasi totalmente la corrente di
fuga (passa solo qualche mA) ma, alla presenza dell'onda di sovratensione,
apre totalmente il circuito permettendo all'onda di sovracorrente di fluire a
terra.
Esistono due collegamenti possibili per l’installazione degli SPD, in serie
(Fig.5.19) ed parallelo (Fig.5.20).
Fig.5.19 – Installazione di SPD in serie
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Fig.5.20 – Installazione di SPD in parallelo
Nelle seguenti figure sono riportati gli schemi di installazione per i comuni
sistemi di distribuzione elettrica di bassa tensione.
Fig.5.21 – Installazione di SPD nel sistema TT
Fig.5.22 – Installazione di SPD nel sistema TN-S
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Fig.5.23 – Installazione di SPD nel sistema TN-C
Fig.5.24 – Installazione di SPD nel sistema IT
In fase di installazione sono da evitare i seguenti errori:
•
posa dei conduttori più vicini tra loro possibile senza creare spire;
•
posa del conduttore PE insieme ai conduttori protetti, causa
accoppiamento induttivo;
•
posa dei conduttori avvolti, ammatassati, facendo il percorso più
lungo e contorto, insomma creando delle spire che generino
accoppiamento magnetico.
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Si definisce livello di protezione (Up) il valore di tensione che caratterizza
il comportamento dell’SPD nel limitare la tensione tra i suoi terminali e che è
scelto da una serie di valori preferenziali. I diversi livelli di protezione più
appropriati per attuare la protezione dell’impianto sono distinti nella Tab.5.9 in
funzione delle classi di prova.
Le classi di prova sono distinte come segue (sempre in Tab.5.9):
•
SPD di Classe di Prova I: SPD provato con la corrente impulsiva Iimp.
•
SPD di Classe di Prova II: SPD provato con la corrente nominale di
scarica In e con la massima corrente di scarica Imax.
•
SPD di Classe di Prova III: forma d’onda 1.2/50 µs e corrente di
corto circuito di forma 8/20 µs. Come parametro di scelta si utilizza
la tensione a vuoto Uoc (kV) di tale generatore.
Inoltre, per la scelta del dispositivo sono necessarie le seguenti definizioni:
•
Tensione nominale (Un): Valore della tensione del sistema di
distribuzione misurato tra fase e terra (PE). La tensione nominale
tra la fase ed il neutro è chiamata Uo.
•
Tensione massima continuativa (Uc): Massimo valore della tensione
efficace o continua che può essere applicata permanentemente
all’SPD. Questa è superiore alla tensione nominale dell’SPD.
•
Tensione residua (Ures): Valore di picco della tensione che appare tra
i terminali di un SPD a seguito del passaggio della corrente di
scarica.
•
Tensione di tenuta (Utenuta): Valore di picco della tensione ad impulso
(1.2/50) che l’apparecchiatura è in grado di sopportare senza subire
danni.
•
Sovratensione
temporanea
(TOV):
Sovratensione
oscillatoria
smorzata (o debolmente smorzata) alla frequenza di rete in una
determinata posizione e di relativamente lunga durata.
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•
Corrente ad impulso (limp): Valore di picco della corrente che circola
nell’SPD e che ha una forma d’onda 10/350 µs. Questa è usata per
classificare l’SPD nella Classe di Prova I.
•
Corrente continuativa (Ic): Corrente che circola in ogni modo di
protezione (o polo) dell’SPD alimentato alla tensione massima
continuativa, Uc, per ogni modo.
•
Corrente massima di scarica per la Classe di Prova II (Imax): Valore
di picco della massima corrente che può circolare nell’SPD senza
danneggiarlo e che ha una forma d’onda 8/20 µs.
•
Corrente nominale di scarica (In): Valore di picco della corrente che
circola nell’SPD e che ha una forma d’onda 8/20 µs. Questa è usata
per classificare l’SPD nella Classe di Prova II.
•
Corrente presunta di scarica (Ipres): Valore di picco della corrente
che circola nell’SPD di Classe di Prova III quando è sottoposto alla
tensione a vuoto Uoc del generatore combinato.
•
Corrente susseguente (Is): Corrente a frequenza industriale fornita
dall’impianto elettrico utilizzatore di bassa tensione che circola
nell’SPD dopo il passaggio della corrente di scarica. La corrente
susseguente
è
significativamente
diversa
dalla
corrente
continuativa.
•
Distanza
di
protezione
(d):
Distanza
massima
tra
l’SPD
l’apparecchiatura da proteggere.
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e
Tab.5.9 – Classi di prova
Per quanto riguarda la protezione automatica contro i contatti diretti ed
indiretti degli impianti protetti da SPD è necessario fare, almeno, una
considerazione sull’interruttore differenziale. In caso di corrente drenata verso
terra sotto sovratensione il differenziale interverrebbe aprendo il circuito con il
disservizio
massimo;
di
conseguenza
va
installato
a
valle
dell’SPD;
contemporaneamente è necessario tenere conto che la linea e gli scaricatori
vanno comunque protetti, ciò può essere realizzato con a monte una
protezione magnetotermica o a fusibili. Il tutto è chiarito in Fig.5.25.
Fig.5.25 – Collegamento del differenziale con presenza di
SPD
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Se si necessita di un approfondimento in merito, il discorso sulla scelta e
sul coordinamento degli SPD è approfondito nella norma CEI 81-8, ”Guida di
applicazione all’utilizzo di limitatori di sovratensione sugli impianti elettrici
utilizzatori di bassa tensione”.
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Attuale panorama normativo
A seguito della variante V1 della CEI 81-10 si sono charite molte incertezze che
la parte introduttiva, in particolar modo, lasciava all’interpretazione. La
variante CEI 81-10 V1 (fascicolo 9491) pubblicata in settembre (2008),
modifica la Premessa Nazionale ed alcuni articoli delle prime tre parti. Le novità
sostanziali possono essere schematizzate come segue:
1) La novità fondamentale è che la nuova premessa nazionale recita “La
valutazione del rischio deve essere eseguita per tutte le strutture in
conformità alla Norma CEI EN 62305-2 e devono essere individuate le
misure di protezione necessarie a ridurre il rischio a valori non superiori a
quello ritenuto tollerabile dalla Norma stessa”.
2) Altra novità è aggiunta dalla seguente nota all’ Art. 6.2: “La valutazione
della
convenienza
economica
delle
misure
di
protezione,
anche
se
facoltativa, è tuttavia consigliata in quanto consente la scelta del sistema di
protezione contro i fulmini, più adatto e conveniente alle esigenze del
committente. Essa potrebbe pertanto essere omessa in presenza di
espressa rinuncia da parte del committente”.
3) All’art. 5.5 della norma CEI 81-10/2 è stata aggiunta la seguente nota:
“Quando il danno alla stuttura si può estendere anche alle strutture
circostanti o all’ambiente (ad es. a causa di emissioni pericolose chimiche o
radiattive) dovrebbero essere adottate comunque misure di protezione con
LPL 1 qualunque sia il risultato dell’analisi del rischio”.
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Obblighi derivanti dalla nuova variante v1 e dal d.lgs 81/08
Come specificato al punto precedente, tra le più importanti novità contenute
nella Variante, da segnalare il principio che la valutazione del rischio deve
essere eseguita per tutte le strutture in conformità alla Norma CEI EN 62305-2
e devono essere individuate le misure di protezione necessarie a ridurre il
rischio a valori non superiori a quello ritenuto tollerabile dalla Norma stessa.
Questo significa che tutte le strutture, anche quelle aventi una precedente
valutazione del rischio dalle scariche atmosferiche eseguita secondo la CEI 811, devono essere sottoposte ad una nuova valutazione del rischio in conformità
alla Norma CEI EN 62305-2, ovvero alla CEI 81-10.
Il nuovo fascicolo contiene una rilevante nota sulla progettazione a regola
d’arte degli edifici ai fini della protezione contro le sovratensioni, indica come
riferimento fondamentale sia la Norma CEI 64-8 sia la serie di Norme CEI 8110.
Va ricordato, inoltre, che valutare il rischio di fulminazione costituisce un
obbligo giuridico in capo al responsabile della struttura, secondo il DLgs 81/08
“Testo unico sulla sicurezza nei luoghi di lavoro” (art. 84: Il datore di lavoro
provvede affinché gli edifici, gli impianti, le strutture, le attrezzature, siano
protetti dagli effetti dei fulmini con sistemi di protezione realizzati secondo le
norme di buona tecnica).
Si deduce facilmente che, nei luoghi di lavoro, il datore di lavoro ha l’obbligo di
valutare o rivalutare il rischio dalle scariche atmosferiche in conformità alla
Norma CEI EN 62305-2 (CEI 81-10).
Per edifici civili non vi è obbligo specifico, tuttavia c’è sempre l’obbligo giuridico
di agire con perizia, prudenza e diligenza, altrimenti si configura la colpa a
seguito di danno a cose o persone, il che significa che il dirigente d’una
struttura, ad esempio un Amministratore di condominio, pur non avendo
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obbligo della valutazione (se il Condominio non ha dipendenti e quindi non è
luogo di lavoro), ha un obbligo giuridico generico di agire con diligenza.
Altro obbligo del progettista è quello di richiedere i valori in base ai quali
redigere la valutazione economica oppure farsi firmare l’espressa rinuncia ad
eseguirla. La valutazione delle perdite economiche consente di confrontare il
costo delle misure di protezione e quello delle perdite materiali per stimare un
eventuale premio assicurativo.
La valutazione del rischio ai sensi del Testo unico sulla sicurezza D.lgs 81/08
deve essere tesa a valutare anche la possibilità che il danno alle cose possa
estendersi anche all’ambiente circostante per valutare l’obbligo di applicazione
di un LPL di classe 1 introdotto all’art. 5.5 della nuova variante. Se ne deduce
la necessità, già in parte evidente, di tenere in considerazione, al momento
della redazione del DVR (documento di valutazione del rischio) anche la
valutazione dalle scariche atmosferiche. L’art.28 (“oggetto della valutazione dei
rischi”) del D.lgs 81/08 recita inoltre “Il documento di cui l’articolo 17, comma
1, lettera a), redatto a conclusione della valutazione , deve avere data certa e
contenere: a) una relazione sulla valutazione di tutti i rischi per la sicurezza e
la salute durante l’attività lavorativa, nella quale siano specificati i criteri
adottati per la valutazione stessa […]”
Obblighi della protezione
Da quanto esposto precedentemente si evince che la valutazione del rischio da
scariche atmosferiche dovrebbe essere oggetto di uno specifico incarico da
parte del responsabile dell’intera struttura e dovrebbe essere eseguito da un
esperto della protezione contro i fulmini. Questi accerta i valori richiesti dalla
norma:
i.
Rischio R1 : perdita di vite umane
ii.
Rischio R2 : perdita di servizio pubblico (energia, acqua, gas,telefonia,
ecc…)
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iii.
Rischio R3 : perdita di patrimonio culturale insostituibile
iv.
Rischio R4 : perdita economica
Se le sovratensioni possono provocare perdita di vite umane (rischio R1),
perdita di servizio pubblico (rischio R2) o perdita di patrimonio culturale
insostituibile (rischio R3), l’impiantista elettrico ha l’obbligo giuridico di ridurre
tale rischio ad un livello accettabile per la norma: il Committente NON ha la
facoltà di rinunciare alla relativa protezione ed ogni accordo con l’impiantista
darebbe soltanto evidenza di un concorso di colpa.
Qualora si configuri un rischio di tipo R4 (perdita economica ),il Committente,
dopo aver valutato che il sistema di protezione non è economicamente
conveniente, può rinunciare alle protezioni, ma in maniera esplicita e
documentata di modo che, in caso di danno, non possa esserci rivalsa nei
confronti del progettista o dell’installatore.
SANZIONI
Con l’entrata in vigore, il 20 Agosto del 2009, del D.lgs 106/09 si configurano
le seguenti sanzioni
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