Corso di Fisica: Impianti elettrici e sicurezza, Università del Piemonte Orientale

Corso di Fisica

Impianti elettrici e sicurezza P. Cortese Corso di Laurea in Scienze Biologiche a.a. 2023/2024 UP UNIVERSITÀ DEL PIEMONTE ORIENTALE

Rischi legati all'elettricità

Sovraccarico e surriscaldamento

• elevate temperature, incendio, esplosione
• ustioni
• proiezione di frammenti
• avvelenamento da fumi

Passaggio della corrente attraverso il corpo

• folgorazione

Impianti elettrici e sicurezza 2/33

La folgorazione

La folgorazione (scossa) è il passaggio di una forte corrente elettrica attraverso il corpo

• effetto joule
• riscaldamento dei tessuti
• stimolazione di muscoli e nervi il cui funzionamento è di natura elettrica (scossa)
• tetano muscolare
• passaggio della corrente attraverso organi vitali
• cuore
• cervello . infortuni collegati (ad esempio una caduta in seguito alla folgorazione)

Impianti elettrici e sicurezza 3/33

Fattori che influenzano la pericolosità - 1

Intensità della corrente

• Dipende dalla tensione e dalla resistenza offerta al passaggio di corrente V I= - R
• i tessuti interni hanno bassa resistenza al passaggio di elettricità La resistenza del corpo umano dipende: dalla tensione, dalla frequenza, dal sesso e varia da persona a persona. Per tensioni di 230V a 50 Hz è generalmente compresa tra 100022 e 20002 per un contatto mano-mano o mano-piede. La corrente può quindi raggiungere I = 220 V 10002 = 220 mA

Impianti elettrici e sicurezza 4/33

Fattori che influenzano la pericolosità - 2

• protezione della pelle se asciutta
• è estremamente periocoloso toccare un elettrodomestico o uno strumento con mani bagnate
• protezione offerta da scarpe, guanti, pavimento isolante
• estremamente pericoloso toccare un apparecchiatura con i piedi scalzi Si ha un effetto protettivo perchè si forma un partitore di tensione tra la resistenza del corpo e quella in serie data ad esempio dalle scarpe isolanti o dai guanti C Rcorpo V contatto V contatto a vuoto Rserie Con scarpe isolanti, pavimento isolante e guanti, la resistenza totale può salire fino a 104 22-1062
• Necessarie invece protezioni aggiuntive in presenza di acqua (es. nelle piscine) Necessarie grandi precauzioni e protezioni nelle applicazioni elettromedicali dove spesso viene meno la protezione della pelle

Impianti elettrici e sicurezza 5/33

Fattori che influenzano la pericolosità - 2

Durata del contatto

• per basse tensioni/correnti il contatto diventa dannoso e pericoloso all'aumentare della durata (un breve contatto può essere sopportabile mentre uno lungo no)
• per correnti elevate il contatto è pericoloso indipendentemente dalla durata

Caratteristiche della sorgente

• corrente continua
• corrente alternata
• la forma più pericolosa è quella delle frequenze normali di distribuzione industriale e domestica (50 Hz - 60 Hz)
• capacità della sorgente di erogare corrente
• resistenza interna, capacità

Organi coinvolti

Impianti elettrici e sicurezza 6/33

Soglie di pericolosità - 1

Tensioni sinusoidali a 50 Hz

• Soglia di percezione ~ 0.5 mA
• Correnti superiori a 1 mA possono essere avvertite e causare dolore
• la persona è in grado di staccarsi dal contatto . Correnti superiori a 10mA interferiscono con la trasmissione nervosa e provocano gravi contrazioni muscolari (tetanizzazione dei muscoli)
• la persona colpita può non riuscire a staccarsi dal contatto
• sopra 20mA - 30mA può intervenire una paralisi respiratoria
• una volta interrotta la corrente può essere necessaria la respirazione artificiale

Impianti elettrici e sicurezza 7/33

Soglie di pericolosità - 2

• Correnti superiori a 30mA - 80mA possono convogliare al cuore una corrente sufficiente a causare la fibrillazione
• fibrillazione: contrazioni irregolari dei muscoli cardiaci che impediscono il pompaggio del sangue
• il ritmo cardiaco è sensibile al passaggio di elettricità durante la fase critica tra sistole e diastole con una probabilità che dipende dalla corrente
• se non ci si riesce a staccare dopo pochi passaggi attraverso la fase critica entra in fibrillazione . il cuore non riesce a riprendersi autonomamente dalla fibrillazione anche dopo l'interruzione della corrente
• necessario massaggio cardiaco e defibrillatore
• una corrente continua può essere meno pericolosa perchè causa un arresto cardiaco dal quale il cuore a volte può riprendersi Particolarmente problematici sono i percorsi della corrente più comuni perchè attraversano il tronco, ad esempio mano-piedi . Non toccare altri oggetti mentre si fa uso di apparecchi elettrici
• Usare calzature con suole di gomma . Non toccare apparecchi elettrici con mani o piedi bagnati

Impianti elettrici e sicurezza 8/33

Soglie di pericolosità - 3

AC-1: imperceptible AC-2: perceptible but no muscle reaction AC-3: muscle contraction with reversible effects AC-4: possible irreversible effects AC-4.1: up to 5% probability of ventricular fibrillation AC-4.2: 5-50% probability of fibrillation AC-4.3: over 50% probability of fibrillation Da wikipedia 10 s AC-4.1 5 s AC-4.2 2 s AC-4.3 1 s 500 ms T 200 ms AC-1 AC-2 AC-3\AG-4 100 ms 50 ms 20 ms 10 ms 100200 500 1 2 5 10 20 50 100200 500 1 2 5 10 A A HA HA HA mAmA mAmAmA mAmAmA mA A A I . Pochi mA/mm2 di corrente possono portare a gravi ustioni nelle parti interessate

• la pelle è il tessuto più esposto perchè ha elevata resistenza: P = RI2 In applicazioni elettromedicali correnti anche molto piccole, minori di 1 mA, pos- sono causare una fibrillazione se raggiungono il cuore. Sono necessari livelli di protezione molto elevati quando elettrodi vengono applicati ad un paziente.

Impianti elettrici e sicurezza 9/33

Soglie di pericolosità - 4

Non è la tensione che uccide ... è la corrente. Si classifica tuttavia il rischio sulla base della tensione in quanto questa determina il passaggio di corrente

Condizioni ordinarie

50 V CA 120 V CC

Condizioni particolari

25 V CA 60 V CC

• Per condizioni ordinarie si intende un ambiente al chiuso privo di umidità
• Per condizioni particolare si intende un ambiente all'aperto oppure al chiuso in presenza di umidità

Impianti elettrici e sicurezza 10/33

La trasmissione di energia elettrica

Solitamente viene prodotta e trasmessa una tensione alternata trifase

• La somma delle tre tensioni è zero in ogni istante
• quando su un filo arriva corrente, negli altri c'è un ritorno di corrente
• i ruoli si interscambiano continuamente . Sono necessari solo tre fili anzichè sei per la trasmissione (un'andata e un ritorno per ogni filo) VNVM Fase 1 Fase 2 Fase 3 1.0 0.5 0 1 270° 360° -0.5 -1.0 120° 120° Nelle linee di trasmissione si vedono sempre gruppi di tre conduttori

Impianti elettrici e sicurezza 11/33

Il sistema di distribuzione TT

Cabina di distribuzione Trasformatore L1 ENEL L2 O L3 N 0 Interruttore differenziale Interruttore magnetotermico PE Utilizzatore Collegamento a terra T Protezione di terra Viene utilizzato per alimentare le abitazioni/uffici che ricevono corrente in bassa tensione dall'azienda elettrica

• La cabina di distribuzione è di proprietà dell'azienda elettrica . La prima lettera T indica che il connettore di neutro è collegato a terra . La seconda lettera T indica che c'è un sistema di protezione collegato a terra

Impianti elettrici e sicurezza 12/33

Protezione dal sovraccarico e dal cortocircuito

NHH Striscia fusibile o filo sottile (a) Fusibili Costituiti da una sottile lamina metallica che si fonde quando percorsa da corrente eccessiva interrompendo il contatto elettrico È un dispositivo passivo MERLIN GERIN G MERLIN GERIN multi 9 vigi C60 multi 9 C60N C16 Δη 0,030Α IN/1 13 ~ 400V~ 6000 1/ 3₺ 13 21 45 26581 N/2 4 test monthly 0 - OFF O -OFF Interruttore magnetotermico Parte magnetica: protegge dal cortocircuito Parte termica: protegge dal sovraccarico

Impianti elettrici e sicurezza 13/33

Contatto diretto e indiretto

• Contatto diretto: con conduttori che sono normalmente in tensione
• intervento errato, rimozione delle protezioni, mancata disattivazione dell'apparecchiatura . Contatto indiretto: con parti che normalmente non dovrebbero essere in tensione
• guasto o difetto nell'isolamento, problemi nell'impianto elettrico

Impianti elettrici e sicurezza 14/33

Protezione dai contatti diretti

Si cerca di impedire che una persona possa involontariamente entrare in contatto con conduttori elettricamente attivi

• Isolamento delle parti attive
• isolamento dei cavi elettrici, sospensione in aria a distanza dal suolo, interramento e protezione
• installazione corretta Involucri e barriere
• barriere che impediscono di avvicinarsi alle installazioni, cartelli, avvisi
• involucro che può essere aperto solo con attrezzi da parte di personale specializzato
• protezione contro il contatto con le dita
• protezione contro inserimento di corpi estranei
• protezione dal contatto con liquidi
• Equipaggiamento isolato per gli elettricisti Se questo non funziona possono entrare in azione gli strumenti per la protezione dai contatti indiretti come ultima risorsa La presenza di protezioni non solleva dalla responsabilità di un uso attento, corretto e responsabile

Impianti elettrici e sicurezza 15/33

Protezione dai contatti indiretti

Si vuole evitare che una persona entri a contatto con parti che si trovano in tensione in seguito ad un guasto Mentre ci si può difendere dal contatto diretto, mantenendosi a distanza dal pericolo visibile, nel contatto indiretto, essendo un pericolo invisibile, ci si può difendere solo con un adeguato sistema di protezione Le misure di protezione sono orientate a:

• interrompere il circuito nel quale si manifesta un guasto di isolamento
• impedire il determinarsi di un guasto verso una parte metallica accessibile

Impianti elettrici e sicurezza 16/33

L'interruttore differenziale - 1

Si può considerare il circuito da proteggere come un singolo nodo per cui, se non ci sono dispersioni, la corrente entrante deve essere uguale a quella uscente. I I + Vem R − Un circuito controlla continuamente se c'è una minima differenza tra le due correnti ed interviene ad interrompere rapidamente il contatto in caso di dispersione Il tempo di reazione deve essere dell'ordine di 25 ms - 40 ms Schema di funzionamento di un interruttore differenziale in corrente alternata LN 1 - 1 - 1 2 3 4 1: Electromagnet with help electronics 2: Current transformer secondary winding 3: Transformer core 4: Test push-button L: Line conductor N: Neutral conductor

Impianti elettrici e sicurezza 17/33