Protezione contro lo shock elettrico

La salvaguardia della sicurezza delle persone e delle cose contro i pericoli derivanti dall’utilizzo dell’energia elettrica rappresenta il fondamento normativo su cui si basano la progettazione, esecuzione, verifica e manutenzione degli impianti elettrici. Per quanto riguarda la bassa tensione, la Norma CEI 64-8 “Impianti elettrici a tensione nominale non superiore a 1.000 V in corrente alternata e a 1.000 V in corrente continua”, riferimento normativo CEI per eseguire gli impianti elettrici a regola d’arte, ci ricorda (Capitolo 13) che le prescrizioni normative “sono destinate ad assicurare la sicurezza delle persone e dei beni contro i pericoli ed i danni che possono derivare dall’utilizzo degli impianti elettrici nelle condizioni che possono essere ragionevolmente previste”.

In particolare, secondo quanto contenuto nel commento 13.1.1, i principali pericoli negli impianti elettrici sono:
• Le correnti pericolose per il corpo umano;
• Le temperature elevate, tali da provocare ustioni, incendi o altri effetti pericolosi.

Della salvaguardia della sicurezza e del corretto funzionamento dell’impianto elettrico occorre occuparsene sin dalla fase di progettazione. Questo è possibile se si prendono in considerazione le seguenti misure di protezione:

• protezione contro i contatti diretti (protezione principale);
• protezione contro i contratti indiretti (protezione in caso di guasto);
• protezione contro gli effetti termici;
• protezione contro le sovracorrenti;
• protezione contro le correnti di guasto;
• protezione contro le sovratensioni e le influenze esterne;
• protezione contro gli abbassamenti di tensione.

Inoltre, la progettazione degli impianti elettrici di bassa tensione (BT) deve tenere contro delle caratteristiche della tensione di alimentazione previste all’origine dell’impianto elettrico ovvero nel punto di consegna dell’energia elettrica all’utente, in accordo con le prescrizioni contenute nella Norma CEI 0-21 “Regola tecnica di riferimento per la connessione di Utenti attivi e passivi alle reti BT delle imprese distributrici di energia elettrica”. In particolare, occorrerà tenere conto:

• delle caratteristiche degli impianti da collegare, distinguendo fra quelle relative ai soli impianti utilizzatori e quelle che si applicano agli impianti di produzione di energia elettrica;
• dell’alimentazione di eventuali servizi di sicurezza e di riserva;
• di eventuali esigenze particolari del committente come la presenza di persone con disabilità o specifiche necessità;
• di eventuali prescrizioni derivanti dall’applicazione di prescrizioni legislative specifiche.

L’impianto utente comprende l’impianto utilizzatore, inteso come “insieme dei circuiti di alimentazione degli apparecchi utilizzatori e delle prese a spina, comprese le relative apparecchiature di manovra, sezionamento, interruzione, protezione” (3.41) e l’impianto di produzione, inteso come “insieme del macchinario, dei circuiti e dei servizi ausiliari per la generazione di energia elettrica” (3.34) nella disponibilità dell’utente.

Nel caso di impianti elettrici con tensione superiore a 1 kV in c.a. e 1,5 kV in c.c., la Norma CEI EN IEC 61936-1 prescrive che il progetto tenga conto della sicurezza degli operatori e del pubblico. In particolare, le misure di sicurezza contro lo shock elettrico di cui tenere conto sono la protezione contro i contatti diretti e la protezione contro i contatti indiretti.

Secondo il campo di applicazione della norma, sono considerati impianto elettrico con tensione nominale superiore a 1 kV:

• la sottostazione, incluse quelle per l’alimentazione di ferrovie;
• gli impianti su montanti, pali e tralicci, apparecchiature di manovra e/o trasformatori ubicati al di fuori di aree di servizio elettrico chiuse;
• una (o più) impianto/i ubicato/i in un unico sito, l’impianto elettrico comprende generatori e unità di trasformazione con tutte le apparecchiature associate e tutti i sistemi elettrici ausiliari. Sono esclusi i collegamenti tra impianti di generazione ubicati in siti diversi;
• l’impianto elettrico di una fabbrica, di uno stabilimento industriale o di altri ambienti industriali, agricoli, commerciali o pubblici;
• gli impianti elettrici su strutture offshore per la generazione, trasmissione, distribuzione e/o stoccaggio di elettricità;
• le torri o pali di transizione (tra linee aeree e sotterranee).

Gli impianti elettrici comprendono anche le seguenti apparecchiature (articolo 1):

• macchine elettriche rotanti;
• apparecchiature di manovra;
• trasformatori e reattori;
• convertitori;
• cavi;
• condutture;
• batterie;
• condensatori;
• impianti di terra;
• costruzioni e recinzioni che fanno parte di un’area di servizio elettrico chiusa;
• sistemi di protezione, di comando e di controllo pertinenti;
• grandi reattori con nucleo in aria.

Analogamente a quanto previsto per gli impianti elettrici di bassa tensione, la progettazione degli impianti elettrici in media e alta tensione deve tenere conto del livello di tensione e frequenza nel punto di inserimento ovvero nel “punto della rete di distribuzione nell’assetto preesistente alla connessione al quale l’impianto di utente è connesso attraverso l’impianto di connessione” (3.82), in accordo con le prescrizioni contenute nella Norma CEI 0-16 “Regola tecnica di riferimento per la connessione di Utenti attivi e passivi alle reti AT ed MT delle imprese distributrici di energia elettrica”. Impianto di utente che comprende, anche nel caso delle reti a tensione superiore a 1 kV, l’impianto di produzione o l’impianto utilizzatore nella disponibilità dell’Utente.

Nelle reti di alta tensione (AT), la tensione nominale è “maggiore di 35 kV e minore o uguale a 150 kV ad una frequenza nominale (f_n) di 50 Hz” (5.1.1.1). Nelle reti di media tensione (MT), invece, “sono maggiormente diffusi due valori di tensione di esercizio: 15 kV e 20 kV. Alcune porzioni del sistema di MT sono esercite con differenti livelli (23 kV, 9 kV, ecc)(13). La frequenza nominale (f_n) è di 50 Hz” (5.2.1.1).

Shock elettrico

Secondo la definizione riportata dalla Norma CEI EN 61140 “Protezione contro le scosse elettriche – Aspetti comuni per gli impianti e le apparecchiature”, lo shock elettrico è l’effetto “fisiologico risultante dal passaggio di una corrente elettrica attraverso un corpo umano o un animale”.

Gli effetti risultati dal passaggio di una corrente elettrica attraverso un corpo umano o un animale includono “la percezione, le contrazioni muscolari e la tetanizzazione, la difficoltà nella respirazione, disturbi della funzione cardiaca, immobilizzazione, arresto cardiaco, arresto respiratorio, ustioni o altra danno cellulare” (nota 3.1).

Figura 1. Impedenze interne parziali Z_ip del corpo umano. (Norma CEI IEC 60479-1)

Questi sono descritti dettagliatamente dalle norme della EN IEC 60479 “Effetti della corrente sull’uomo e sugli animali”. In particolare, il CEI – Comitato Elettrotecnico Italiano ha recepito (in lingua inglese) le seguenti parti:

• CEI IEC 60479-1 (Classificazione CEI: 64-18) “Effetti della corrente elettrica attraverso il corpo umano e degli animali. Parte 1: Aspetti generali”;
• CEI IEC 60479-2 (Classificazione CEI: 64-59) “Effetti della corrente elettrica attraverso il corpo umano e degli animali. Parte 2: Aspetti speciali”;
• CEI IEC/TR 60479-4 (Classificazione CEI: 64-60) “Effetti della corrente elettrica attraverso il corpo umano e degli animali. arte 4: Effetti del colpo di fulmine”;
• CEI IEC TR 60479-5 (Classificazione CEI: 64-65) “Effetti della corrente sull’uomo e sugli animali – Parte 5: Valori di soglia della tensione di contatto per gli effetti fisiologici”.

La regola fondamentale per la protezione contro lo shock elettrico descritta dalla Norma CEI EN 61140 (Capitolo 4) prevede che le parti attive pericolose ovvero le parti conduttive destinate “ad essere in tensione in condizioni nominali”, non siano accessibili e le parti conduttive accessibili non siano pericolose in condizioni nominali o in caso di guasto singolo. La protezione in condizioni nominali è fornita dalla protezione principale, mentre la protezione in caso di guasto singolo è fornita dalla protezione da guasto. In taluni casi può essere prevista una protezione aggiuntiva.

Inoltre, la norma prevede disposizioni per la protezione rafforzata ovvero per la protezione in condizioni normali e in caso di guasto singolo.

Figura 2: Persona in contatto con una parte attiva e circuito equivalente.

Figura 3: Contatto indiretto con una massa in tensione per un guasto.

Per soddisfare la regola fondamentale (Capitolo 4) in condizioni normali, gli impianti elettrici e i componenti elettrici di bassa tensione devono essere protetti contro lo shock elettrico mediante la protezione principale e, in generale, anche dalla protezione contro i guasti. In questo caso, se la tensione rientra nei limiti della bassissima tensione (ELV) “la protezione dai guasti potrebbe non essere necessaria e in determinate condizioni la protezione principale è fornita dalla limitazione della tensione. Queste condizioni includono l’area di contatto, umidità, tensione, corrente e altri parametri definiti per applicazioni particolari”.

Nel caso di impianti elettrici e componenti elettrici a tensione superiore a 1 kV in c.a. e 1,5 kV in c.c. (AT), “la protezione contro lo shock elettrico è assicurata da misure speciali, in particolare disposizioni di messa a terra”.

La protezione principale può essere ottenuta mediante:

• Isolamento principale solido in grado di impedire il contatto con parti attive pericolose;
• Barriere o involucri di protezione che garantiscano:
  • Bassa tensione: un grado di protezione contro lo shock elettrico di almeno IPXXB o IP2X e, per le superfici superiori orizzontali facilmente accessibili di barriere o involucri di protezione, almeno IPXXD o IP4X;
  • Alta tensione: evitino di entrare nella zona pericolosa fornendo un grado di protezione almeno IPXXB o IP2X, e prendere in considerazione la possibilità di fornire un grado di protezione almeno IPXXD o IP4X per superfici superiori orizzontali facilmente accessibili di barriere di protezione o involucri.
• Ostacoli, utilizzati esclusivamente per proteggere persone qualificate o istruite impedendo il contatto non intenzionale con parti attive pericolose (BT) ovvero l’ingresso involontario nella zona pericolosa (AT);
• Posizionamento fuori dalla portata del braccio al fine di evitare l’accesso simultaneo non intenzionale a parti conduttive tra le quali può esistere una tensione pericolosa (BT) ovvero l’ingresso involontario nella zona pericolosa (AT);
• Limitazione della tensione:
  • tensione di contatto inferiore a 25 V c.a. (60 V in c.c.) “quando il componente elettrico è normalmente utilizzato solo in luoghi asciutti e non è previsto un contatto su area ampia di parti in tensione con il corpo umano” ovvero a 6 V c.a. o 15 V c.c. in tutti gli altri casi;
  • livello di sicurezza equivalente a quello per SELV o PELV.
• Limitazione della corrente e dell’energia di contatto a regime permanente;
• Ripartizione del potenziale per gli impianti e i componenti elettrici di alta tensione al fine di “impedire alle persone o a un animale di subire tensioni pericolose e di contatto in condizioni normali per mezzo di dispersori per la ripartizione del potenziale”.

La norma ammette l’adozione di altre disposizioni per la protezione principale purché conformi ai requisiti per la protezione contro lo shock elettrico.

Figura 4: Norme di riferimento per la progettazione degli impianti elettrici e regole tecniche di riferimento per la connessione degli impianti elettrici alle reti pubbliche.

Per quanto attiene alle condizioni di guasto singolo da prendere in considerazione ai fini della protezione da guasto, queste riguardano singoli difetti che si possono verificare a:

• una parte attiva accessibile non pericolosa che diventa parte attiva pericolosa (ad esempio a causa della mancata limitazione della corrente di contatto); o
• una massa accessibile che non è in tensione in condizioni normali, ma diventa parte attiva pericolosa (ad esempio a causa del mancato isolamento principale delle masse).

Rientrano in questa tipologia anche le parti attive che diventano accessibili a causa, ad esempio, del guasto meccanico di un involucro.

Oltre alla protezione da guasto, può essere prescritta una protezione aggiuntiva mediante “un’ulteriore disposizione di protezione, indipendente da quella per la protezione principale” oppure una disposizione di protezione rafforzata “che prevede sia la base che la protezione in caso di guasto” tale che la protezione “sia permanentemente efficace come previsto dalla protezione data da due disposizioni di protezione indipendenti”.

La protezione da guasto è realizzata mediante “una o più disposizioni indipendenti e aggiuntive rispetto a quelle per la protezione principale”.

Fra queste troviamo:

• Isolamento supplementare fornito da un isolamento ulteriore all’isolamento principale, “dimensionato per resistere alle stesse sollecitazioni specificate per l’isolamento principale”;
• Collegamento equipotenziale di protezione “in base al quale gli elementi sono collegati per evitare tensioni di contatto pericolose”. Il sistema collegamento equipotenziale di protezione è costituito da:
  • collegamento equipotenziale di protezione nel componente elettrico;
  • collegamento equipotenziale di protezione messo a terra o non messo a terra nell’impianto;
  • conduttore di protezione (PE);
  • conduttore PEN, PEL o PEM;
  • schermo di protezione;
  • punto di messa a terra della sorgente o punto neutro artificiale;
  • dispersore (compresi i dispersori per la ripartizione del potenziale);
  • conduttore di terra.
• Schermatura di protezione ovvero “uno schermo conduttivo interposto tra le parti attive pericolose di un impianto, sistema o componente elettrico e la parte da proteggere”;
• Segnalazione e interruzione in impianti e sistemi ad alta tensione;
• Interruzione automatica dell’alimentazione fornita da un sistema di collegamento equipotenziale di protezione e da un dispositivo di protezione, “azionato dalla corrente di guasto che deve interrompere il/i conduttore/i di linea di alimentazione del componente elettrico, del sistema o dell’impianto, in caso di guasto di impedenza trascurabile tra un conduttore di linea e una massa o un conduttore di protezione nel circuito o nel componente elettrico”;
• Separazione semplice (tra circuiti) “ottenuta mediante un isolamento completo di base, valutato per la massima tensione presente”;
• Ambiente non conduttivo avente un’impedenza verso terra di almeno:
  • 50 kΩ se la tensione nominale dell’impianto non supera i 500 V c.a. o c.c.;
  • 100 kΩ se la tensione nominale dell’impianto è superiore a 500 V c.a. o c.c. e non supera1 000 V c.a. o 1 500 V c.c.
• Ripartizione del potenziale “ottenuta mediante l’installazione di dispersori aggiuntivi per ridurre la tensione di contatto e la tensione di passo che si manifestano in caso di guasto”.

La norma ammette l’adozione di altre disposizioni per la protezione contro i guasti purché conformi ai requisiti definiti per la protezione contro lo shock elettrico.

È possibile utilizzare la protezione rafforzata, in grado di garantire la protezione principale e quella contro i guasti.

Fra i provvedimenti citati dalla norma troviamo:

• Isolamento rinforzato “progettato per resistere alle sollecitazioni elettriche, termiche, meccaniche e ambientali con la stessa affidabilità di protezione fornita dal doppio isolamento”;
• Protezione mediante separazione tra i circuiti ottenuta con:
  • isolamento principale e isolamento supplementare, ciascuno classificato per la massima tensione presente, ovvero doppio isolamento; o
  • isolamento rinforzato dimensionato per la massima tensione presente; o
  • schermatura di protezione separata da ciascun circuito adiacente da un isolamento principale dimensionato per la tensione del circuito adiacente; o
  • una combinazione di queste disposizioni.
• Sorgente di corrente limitata progettata in modo da non poter fornire correnti di contatto superiori ai valori limite previsti per la limitazione della corrente e dell’energia di contatto a regime permanente (protezione principale);
• Dispositivo di impedenza di protezione che limiti in modo affidabile la corrente di contatto ai valori limite previsti per la limitazione della corrente e dell’energia di contatto a regime permanente (protezione principale).

È ammesso utilizzare altre disposizioni “di protezione rafforzata sia per la protezione principale che per la protezione contro i guasti” purché conformi ai requisiti definiti per la protezione contro lo shock elettrico.

Infine, fra le disposizioni per la protezione aggiuntiva la norma indica la:

• Protezione aggiuntiva mediante dispositivo di protezione differenziale (RCD) I_Δn ≤ 30 mA;
• Protezione aggiuntiva mediante collegamento equipotenziale supplementare.

La Norma CEI EN 61140 descrive (Articolo 6) “la struttura delle misure di protezione tipiche, indicando in alcuni casi quali disposizioni di protezione sono per la protezione principale, per la protezione dai guasti e per la protezione aggiuntiva”.

Le misure di protezione possono essere utilizzate “all’interno della stessa installazione, sistema o componente elettrico sia in condizioni di esercizio normali che in condizioni di guasto singolo” e comprendono:

• Protezione mediante interruzione automatica dell’alimentazione attuata tramite isolamento principale o barriere o involucri di protezione tra le parti attive pericolose e le masse (protezione principale) e interruzione automatica dell’alimentazione (protezione contro i guasti);
• Protezione mediante isolamento doppio o rinforzato attuata tramite l’isolamento principale delle parti sotto tensione pericolose (protezione principale) e la protezione dai guasti fornita da un isolamento supplementare oppure protezione principale e protezione contro i guasti “fornite da un isolamento rinforzato tra le parti attive pericolose e le parti accessibili”;
• Protezione mediante collegamento equipotenziale di protezione fornito dall’isolamento principale tra le parti attive pericolose e le masse (protezione principale) e un sistema di collegamento equipotenziale di protezione che impedisce tensioni pericolose tra le masse e le masse estranee contemporaneamente accessibili (protezione contro i guasti);
• Protezione mediante separazione elettrica realizzata con isolamento principale tra le parti attive pericolose e le masse del circuito separato (protezione principale) e tramite semplice separazione del circuito dagli altri circuiti e dalla terra e un collegamento equipotenziale di protezione che collega le masse del circuito separato in cui più componenti elettrici sono collegati al circuito separato (protezione dai guasti);
• Protezione mediante ambiente non conduttivo (bassa tensione) dove la protezione principale è fornita dall’isolamento principale tra le parti attive pericolose e le masse e la protezione dai guasti è fornita dall’ambiente non conduttivo;
• Protezione con sistema SELV fornita da:
  • limitazione della tensione in un circuito ai limiti ELV (Sistema SELV); e
  • separazione di protezione del sistema SELV da tutti i circuiti diversi da SELV e PELV, e
  • semplice separazione del sistema SELV dagli altri sistemi SELV, dai sistemi PELV e da terra.
• Protezione con sistema PELV fornita da:
  • limitazione della tensione in un circuito ai limiti ELV e il circuito può essere collegato a terra e/o le cui masse possono essere collegate a terra (sistema PELV); e
  • separazione di protezione del sistema PELV da tutti i circuiti diversi da SELV e PELV.
• Protezione mediante limitazione della corrente di contatto a regime e della carica realizzata alimentazione del circuito con una sorgente di corrente limitata o attraverso un dispositivo di impedenza di protezione, e protezione mediante separazione del circuito dalle parti attive pericolose;
• Protezione aggiuntiva realizzata attraverso la Protezione aggiuntiva mediante dispositivo di protezione differenziale (RCD) I_Δn ≤ 30 mA o Protezione aggiuntiva mediante collegamento equipotenziale di protezione supplementare.

È possibile utilizzare altre misure di protezione purché conformi ai requisiti per la protezione contro lo shock elettrico e in grado di fornire la protezione principale e la protezione dai guasti.

(testo di Antonello Greco)