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Verifica della protezione secondo CEI 64-8 e 64-14

Le norme impiantistiche del CEI, ed in particolare la Norma CEI 64-8, richiedono che le persone ed i componenti elettrici fissi dell’impianto elettrico siano protetti contro gli effetti dannosi del calore sviluppato dagli stessi componenti elettrici, o contro gli effetti dell’irraggiamento termico, in particolare per quanto riguarda:
– combustione o deterioramento di materiali;
– rischio di ustioni;
– riduzione della sicurezza nel funzionamento dei componenti elettrici installati.

La Norma CEI 64-8 richiede inoltre che siano protetti contro gli stessi effetti anche i materiali fissi che, pur non facendo parte dell’impianto elettrico, siano posti in vicinanza di componenti elettrici.
Aumenti di temperatura che possono risultare pericolosi possono avere le più svariate origini: dal punto di vista elettrico non possono essere causati che dalla corrente.
Per questa ragione, buona parte di questo articolo è dedicato alla considerazione degli effetti dannosi, che possono venire provocati da sovracorrenti, pur non trascurando anche quelli che la corrente può provocare nel servizio ordinario, soprattutto in presenza di connessioni allentate.
La corrente può superare i valori che assume nel servizio ordinario sia quando essa fluisce in un circuito elettricamente sano sia quando essa fluisce in un circuito nel quale si sia verificato un guasto tra punti fra i quali esista una tensione in condizioni ordinarie di servizio.
La Norma CEI 64-8 definisce le correnti che si possono verificare nelle due precedenti condizioni rispettivamente come corrente di sovraccarico e come corrente di cortocircuito, mentre definisce come corrente di impiego la corrente che fluisce in un circuito nel servizio ordinario.
Esaminiamo le misure di protezione, e le verifiche da effettuare per accertarne la rispondenza, che la stessa Norma CEI prevede contro le sovracorrenti e contro le ustioni e gli incendi.

Protezione delle condutture elettriche contro i sovraccarichi

La Norma CEI 64-8 prescrive che ogni corrente di sovraccarico venga interrotta da un dispositivo di protezione prima che essa possa provocare un riscaldamento nocivo alla stessa conduttura, in particolare al suo isolamento e alle sue connessioni. Essa richiede che vengano soddisfatte le seguenti due condizioni:

IB < In < Iz
I2 < 1,45 Iz

dove In ed I2 sono rispettivamente la corrente nominale e la corrente di funzionamento convenzionale nelle condizioni previste dalle norme CEI riguardanti i dispositivi di protezione, Iz è la portata della conduttura ed IB è la corrente di impiego del circuito.

Corrente di impiego del circuito
La determinazione di questa corrente di impiego è compito specifico del progettista dell’impianto elettrico, che deve tenere conto oltre che di elementi per i quali può disporre di informazioni abbastanza precise, quali il fattore di potenza ed il rendimento dei vari apparecchi utilizzatori, anche di elementi quali i fattori di utilizzazione ed i fattori di contemporaneità, per i quali le informazioni sono in genere molto approssimative.
E’ d’altra parte necessario che il progettista dia dei valori a questi fattori allo scopo di potere progettare l’impianto elettrico in modo economico ed affidabile: valori troppo elevati comportano infatti una realizzazione non economica dell’impianto e valori troppo bassi possono dare luogo a problemi di sovraccarico.
Particolare difficoltà presenta la valutazione dei fattori di contemporaneità. In sede internazionale si è tentato a più riprese di fornire informazioni in merito ai valori da assegnare a questi fattori nelle varie situazioni, come ad esempio in edifici a destinazione residenziale, in edifici a destinazione commerciale, in edifici destinati al pubblico ed in edifici industriali, ma purtroppo non si è potuto trovare un accordo a causa della grande varietà di situazioni e di esigenze che si riscontrano nelle varie applicazioni.
La guida CEI 64-50 propone, nell’appendice F.1, per il calcolo della corrente IB di un circuito, un metodo che si riassume qui di seguito a titolo di esempio, tenendo presente che i valori risultanti dalla sua applicazione sono puramente indicativi e possono essere utilizzati solo nel caso in cui non siano disponibili fattori più attendibili per la situazione in esame. Rimane inteso che l’ultima parola spetta al progettista che deve fare le sue valutazioni sulla base delle informazioni a sua disposizione.
Secondo questo metodo la corrente di impiego viene calcolata sulla base della seguente relazione::

IB = P · a · b · c · d · e

dove: P è la potenza nominale espressa in ogni apparecchio utilizzatore o di gruppi di apparecchi utilizzatori alimentati dal circuito, a, b, c, d ed e sono fattori ai quali sono assegnati i valori riportati nelle tabelle a pag. 4 e 5 (dove h = rendimento, e cosj = fattore di potenza dell’apparecchio utilizzatore)

Corrente nominale del dispositivo di protezione
La prescrizione che la corrente di impiego IB del circuito non debba superare la corrente nominale In del dispositivo di protezione e che a sua volta quest’ultima corrente non debba superare la portata in regime permanente Iz della conduttura non presenta difficoltà di interpretazione, a condizione che la corrente nominale del dispositivo di protezione In coincida con la corrente che lo stesso dispositivo di protezione sia in grado di portare per un tempo molto lungo. Mentre questa condizione è richiesta dalle Norme CEI riguardanti gli interruttori automatici per usi domestici e similari ed i fusibili, essa non è richiesta dalla Norma CEI riguardante gli interruttori automatici per usi generali.
Per la verità quest’ultima norma prevede, in aggiunta ad una corrente nominale sopportabile per la durata di 8 ore, alla quale si fa convenzionalmente riferimento per la corrente nominale In, anche una corrente sopportabile per un tempo indefinito, che tuttavia non è richiesto venga riportata tra i dati di targa, ma il cui valore può evidentemente essere chiesto al relativo costruttore.

Portata delle condutture
La Norma CEI 64-8 definisce come portata (Iz) di una conduttura il massimo valore della corrente che può fluire in essa, in regime permanente ed in determinate condizioni, senza che la sua temperatura superi un valore specificato. I valori della portata nelle varie condizioni di posa e per numerose possibilità di raggruppamento dei cavi sono riportati nelle Norme CEI-UNEL 35024 (/1 e /2) e 35026. Per i casi meno comuni, che non sono trattati in queste norme, le portate possono essere determinate secondo i metodi della Norma CEI 20-21 oppure sulla base di prove o mediante calcoli, utilizzando metodi riconosciuti, a condizioni che questi metodi vengano adeguatamente precisati.

Sovraccaricabilità dei cavi
Come si è visto precedentemente, la corrente che provoca l’intervento del dispositivo di protezione di una conduttura non deve superare del 45% la portata della stessa conduttura: è questo il risultato di lunghissime discussioni nell’ambito del Gruppo di Lavoro IEC che ha avuto l’incarico di studiare l’argomento.
Tutte le discussioni si sono basate sulle caratteristiche di sovraccaricabilità delle condutture, ed in particolare dei cavi, e sulla loro conseguente perdita di vita, e sulle caratteristiche di intervento dei dispositivi di protezione.
Sono stati presi in esame diagrammi di durata di vita e di perdita percentuale di vita di cavi provvisti di vari tipi di isolamento, in particolare in PVC ed in EPR, tracciati sulla base delle informazioni disponibili riguardanti la variazione della temperatura del conduttore di rame in funzione della corrente, a regime termico ed in condizioni termiche transitorie, tenendo conto della legge di Arrhenius.
Dall’esame di questi diagrammi si è rilevato che per esempio la durata di vita dei cavi a posa fissa, isolati in PVC, non interrati, risulta essere di poco superiore a 20 anni quando essi siano caricati in modo continuativo con una corrente corrispondente alla loro portata.

Apparecchi di illuminazione con lampade
ed alimentatori rifasati con cosj > 0,9
tensione
(V)
potenza
(W)
a
Incandescente 230 tutte 1
Alogena 230 tutte 1
Fluorescente (ballast / reattore + starter 230 15 – 58 1,3 – 1,7
Fluorescente HF (ballast elettronici) 230 16 – 50 1,09 – 1,2
Bulbo fluorescente (a vapore di mercurio) 230 50 – 1000 1,38
Apparecchi utilizzatori a motore: tensione
(V)
potenza
(kW)
a
con potenza sino a 400 0,6 2
con potenza 400 1¸3 2
con potenza 400 4 – 40 1,5
con potenza 400 oltre i 40 1,2
Apparecchi di riscaldamento: tensione
(V)
potenza
(kW)
a
con resistenza 230 o 400 tutte 1
Fattore a (=1/cosj · h relativo ad alcuni apparecchi utilizzatori; per altri apparecchi utilizzatori le informazioni devono essere richieste ai relativi costruttori)

Si è rilevato anche che quando questi cavi venissero sovraccaricati del 45% i loro conduttori di rame potrebbero raggiungere a regime una temperatura di 130 °C, alla quale corrisponde una durata di vita di poco superiore a 12 giorni. Considerando che la riduzione ammessa per la vita del cavo dovuta ai sovraccarichi non debba superare il 10%, e che ogni sovraccarico non debba durare più di 8 ore, si ricava un numero relativamente limitato di sovraccarichi (circa 40) ai quali il cavo potrebbe venire assoggettato durante la sua vita. Da queste considerazioni si possono facilmente immaginare le tesi di chi chiedeva una forte riduzione del valore 1,45, del rapporto cioè tra la corrente di funzionamento del dispositivo di protezione e la portata della conduttura, anche se era molto difficile stimare il numero di sovraccariche che un cavo può essere chiamato a sopportare durante la sua vita.
E’ stato fatto più di un tentativo anche in sede IEC (Commissione Elettrotecnica Internazionale) ed in sede europea uropea CENELEC, distribuendo appositi questionari, ma con risultati scarsi e non omogenei: da queste indagini è risultato tuttavia che negli impianti nei quali siano prevedibili sovraccarichi, il numero da prendere in considerazione debba essere in genere superiore a 20.

Tipo di utilizzatore fattore b
Apparecchi di illuminazione 1
Apparecchi utilizzatori a motore 0,75
Apparecchi di riscaldamento 1
Applicazioni industriali 0,3 – 0,9
Circuiti fattore c
Illuminazione 1
Riscaldamenro e Condizionamento aria 1
Prese a spina 0,1 – 0,2
fattore d
per applicazioni generali 1
per applicazioni industriali 1,2
tensione (V) fattore e
230 4.35
400 1.4

A favore della tesi di chi sosteneva la scelta di un valore 1,45, od addirittura superiore, giocavano soprattutto le seguenti considerazioni:
– è molto poco probabile che nella maggior parte delle applicazioni la corrente venga mantenuta in modo continuativo a valori pari alla portata delle condutture;
– le precedenti considerazioni si riferiscono a circuiti singoli, non soggetti a mutui riscaldamenti: nel caso più frequente di circuiti raggruppati in fascio le portate devono venire ridotte mediante adeguati fattori di raggruppamento e quindi la durata di vita e il numero di sovraccarichi ammessi durante la vita dei cavi risultano sensibilmente aumentati rispetto al caso di circuiti singoli;
– correnti di sovraccarico di lunga durata, che si prevede che durino 8 o più ore, non dovrebbero venire considerate sovraccarichi, ma dovrebbero venire considerate portate delle condutture.

Elemento decisivo per la scelta del valore 1,45 è stata la considerazione delle caratteristiche di intervento dei vari dispositivi di protezione, per i quali il rapporto tra corrente di intervento convenzionale e corrente nominale era, nelle condizioni definite nelle rispettive norme, 1,6 per i fusibili ed 1,25 oppure 1,35, secondo la corrente nominale (> l00A oppure £ l00 A) per gli interruttori automatici di uso generale: 1,45 è risultato un valore sul quale trovare un accordo soddisfacente.
Questo rapporto non era stato allora ancora definito per gli interruttori automatici per usi domestici e similari, ma è stato in un secondo tempo scelto eguale ad 1,45 per tenere conto della decisione presa nel frattempo dal Comitato Impianti della IEC, nonostante fosse stato fatto rilevare che per questi apparecchi fosse possibile scegliere un valore inferiore, dal momento che lo scarto di prodotti nella produzione delle principali ditte costruttrici sarebbe rimasto entro limiti ancora accettabili.
Il Comitato Italiano, nei vari Comitati tecnici impianti, cavi ed apparecchi di protezione, aveva sempre sostenuto durante la elaborazione della normativa internazionale la necessità di scegliere un valore più basso di 1,45, per esempio il valore di 1,35, il che avrebbe permesso di limitare la temperatura sul conduttore di rame a circa 115 °C e di aumentare la durata di vita a circa 100 giorni, ma senza successo soprattutto per la tenacissima opposizione dei paesi, quali Germania ed Inghilterra, nei quali l’uso di fusibili era molto diffuso. Dal momento che l’uso di interruttori automatici si sta ora fortemente diffondendo anche in questi paesi è augurabile che l’argomento venga rimesso in discussione in un prossimo futuro: una riduzione del precedente rapporto da 1,45 a 1,35 dovrebbe essere un obbiettivo non difficilmente raggiungibile.

Naturalmente sinché questa decisione non verrà presa, il valore di 1,45 deve essere considerato tale da garantire una sufficiente protezione dei circuiti. Si deve tenere presente che l’impiego di un dispositivo di protezione che presenti un rapporto I2/Iz superiore ad 1,45 porta come conseguenza che non si possa sfruttare sino alla sua portata la conduttura protetta da questo dispositivo.
Si ricorda anche che se la conduttura presenta lungo il suo percorso tratti che comportino portate differenti, per esempio a causa di diverse condizioni di posa, devono venire rispettate le condizioni riferite alla portata inferiore.

Protezione contro i cortocircuiti
a Norma CEI 64-8 definisce come corrente di cortocircuito di una conduttura ogni sovracorrente che si verifica in seguito ad un guasto di impedenza trascurabile tra due punti fra i quali esiste tensione in condizioni ordinarie di servizio.

Se il guasto non è di impedenza trascurabile, cioè se non è franco, la corrente che ne risulta è una corrente di guasto che può essere di valore anche molto basso e che può durare a lungo prima che il guasto non si evolva in un guasto franco.
Se questa corrente risulta dello stesso ordine di grandezza dei sovraccarichi, la protezione viene assicurata dai dispositivi di protezione contro i sovraccarichi; se invece essa risulta di valore inferiore, non si può fare altro che il guasto si evolva in modo da dare luogo a correnti di valore tale da provocare l’intervento dei dispositivi di protezione. Per la protezione contro le correnti di cortocircuito devono essere previsti dispositivi di protezione che siano in grado di interromperle prima che esse possano divenire pericolose a causa degli effetti termici e meccanici nei conduttori e nelle connessioni.
La Norma CEI 64-8 considera che il fenomeno possa venire considerato adiabatico se la corrente viene interrotta entro 5 s e richiede che i conduttori non superino la temperatura limite ammissibile, il cui valore dipende, nel caso di cavi, sostanzialmente dal tipo del loro materiale isolante. In realtà la durata entro la quale il fenomeno può venire considerato adiabatico varia molto, soprattutto secondo la sezione del conduttore: per esempio essa non supera I s per una sezione di 1,5 mm2 e può raggiungere 40 s per una sezione di 50 mm2 La scelta di una durata di 5 s è evidentemente una scelta di comodo, che implicitamente presuppone la accettazione di un rischio:
i vantaggi dati da una tale scelta nella semplificazione dei calcoli sono stati evidentemente ritenuti tali da fare accettare il rischio.

Giovanni Nozza
(tratto da Panorama Elettrico)

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