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Vi siete mai chiesti il motivo per cui vi hanno sempre consigliato di non infilare le dita nei buchi della presa elettrica? Bhe se state leggendo questo post, significa che: o badate ai consigli, oppure siete stati testardi (o avete sfidato la sorte) e in qualche modo ve la siete cavata. Con questo breve articolo scopriremo ciò che si nasconde dietro una presa elettrica, gli effetti e le situazioni rischiose per l’uomo. LA DISTRIBUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
La distribuzione dell’energia elettrica all’utente finale è l’ultima fase del processo comprendente produzione e trasporto. Prima di raggiungere l’utenza, l’energia elettrica attraversa la rete di distribuzione elettrica la quale comprende:
In Italia si adotta un sistema di produzione, distribuzione, e utilizzo trifase a 400 V, ciò significa che l’energia elettrica viene distribuita su tre tensione elettriche alternate, aventi la stessa frequenza 50 Hz e lo stesso sfasamento di 120°.
Per quanto riguarda l’utenza, essa dispone di un sistema monofase, ciò significa che nelle abitazioni domestiche giungono due conduttori, una delle tre fasi e il neutro (il cui collegamento a terra viene effettuato dall’Enel). La tensione fase-neutro è di 220 V efficaci e 311 V di picco.
Per cui in ciascuna delle prese elettriche domestiche i buchi esterni corrispondo uno al conduttore di fase e l’altro al conduttore di neutro sul quale vi è il ritorno della corrente, e quindi la chiusura del circuito. Cosa possiamo dire del foro centrale?
Qui entra in gioco il discorso sulla sicurezza elettrica. Esso è collegato al sistema di terra dell’abitazione, il quale giunge al dispersore. Scopriremo subito la sua utilità. Prima di entrare nel dettaglio bisogna capire perché la corrente elettrica può essere pericolosa per l’uomo.
EFFETTI SULL’UOMO
Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano dipendono da
intensità’ della corrente
tempo di permanenza del contatto Il valore dell’intensità di corrente che scorre attraverso il corpo umano, è calcolabile per mezzo della legge di Ohm
, dove V indica il valore della tensione dell’impianto (con il quale la persona entra a contatto) ed R la resistenza del corpo umano verso terra.
Dato che, l’uomo è composto principalmente da acqua (in media 70%) e dato che l’acqua conduce corrente, la resistenza assume valori per i quali la tensione di 220 V può provocare un passaggio di corrente dannoso per uomo. Sotto quest’ottica il corpo umano è rappresentabile con una rete con tre impedenze: una interna del nostro corpo, che dipende da come siamo fatti e due di contatto riferite agli arti superiori e inferiori.
Le capacità in parallelo alle impedenza
sono state inserite in quanto il contatto non è continuo; esse possono essere trascurate nel caso di basse frequenze, è possibile quindi adottare la rete a sinistra.
Le resistenze raffigurate dipendono
dalla tensione alla quale siamo sottoposti
dal percorso che prende la corrente (in quanto a seconda degli organi che attraversa incontra una resistenza diversa)
dalle condizioni della pelle (asciutta o bagnata). Per cui dato che tale resistenza non è uniforme come nei circuiti elettrici, si tiene conto quanto vale mediamente nell’uomo, in modo tale da progettare correttamente un impianto di protezione.
Nel seguente grafico si presentano quattro zone colorate, ciascuna delle quali è caratterizzata da un range di valori per la corrente in mA a cui corrispondono dei rischi per l’uomo.
Zone di pericolosità della corrente elettrica alternata a 50 Hz
zona 1 e 2: sensazione debole o scossa, non si hanno effetti pericolosi.
zona 3: i danni causati al corpo sono reversibili, tuttavia prolungando la durata del contatto si può incorrere alla tetanizzazione ovvero alla contrazione muscolare della parte a contatto. Ciò può paralizzare il muscolo impedendo alla persona di staccarsi dal contatto in tensione, in questo modo aumenta il tempo di contatto che porta alla zona di rischio successiva.
zona 4: i danni possono essere irreversibili e fatali ovvero: fibrillazione, arresto cardiaco, arresto della respirazione e ustioni SITUAZIONI DI RISCHIO
Le situazioni di rischio in ambito domestico sono due:
Contatto diretto
Si ha quando si tocca direttamente il conduttore di fase, la corrente passa attraverso il corpo umano e ritorna alla cabina di trasformazione (ciò è altamente pericoloso se non fatale). Ci si può proteggere da questo rischio effettuando l’isolamento dei conduttori.
Contatto indiretto
La maggior parte degli involucri degli elettrodomestici sono metallici. In entrambi i disegni è rappresentato un dispositivo guasto.
A sinistra l’elettrodomestico non ha il collegamento a terra. Supponiamo che il conduttore di fase entri in contatto con la carcassa del dispositivo, essa che dovrebbe essere a potenziale zero, si ritroverebbe ad un potenziale di 220 V efficaci. Se una persona, che supponiamo abbia una resistenza interna di 1000 Ohm, entrasse in contatto con l’elettrodomestico, verrebbe attraversata da una corrente di 220 mA, estremamente pericolosa.
A destra l’elettrodomestico è collegato a terra, ciò implica che anche se si verificasse un guasto, il potenziale della sua carcassa non salirebbe a 220 V ma rimarrebbe idealmente a 0 V, in quanto il costruttore del dispositivo ha provveduto a collegare la carcassa al polo centrale della spina, la quale collegata al foro centrale della presa elettrica, permette il ritorno della corrente a terra. In definitiva le cariche si scaricano a terra passando dalla fase, alla carcassa del dispositivo, per poi giungere a terra.
A primo impatto sembrerebbe tutto risolto. Tuttavia vi è un inconveniente. Come già detto il potenziale del terreno è zero, d’altra parte il potenziale del punto di collegamento non è esattamente nullo ma dipende dalla resistenza del collegamento (carcassa-dispersore). Per cui, in caso di guasto, sulla carcassa non vi sarà una ddp di 220 V e neanche nulla, ma una tensione dipendente da tale resistenza; per cui quando realizzo il collegamento il problema è sapere fino a quale tensione un dispositivo guasto può salire senza essere un pericolo per l’uomo. In condizioni ordinarie la tensione massima tollerabile è di 50 V.
Di conseguenza, quando viene effettuato il collegamento di terra di un impianto domestico, la resistenza di terra va dimensionata in modo tale che in caso di guasto, la tensione venga mantenuta al di sotto di 50 V. La resistenza dell’impianto di terra (per un dispersore semisferico) è data dalla formula
dove
è la resistività del terreno
è il reaggio della calotta sferica del dispersore L’unico parametro su cui possiamo agire è il raggio del dispersore in quanto la resistività del terreno è costante e dipende dal tipo terreno su cui viene collegato l’impianto. E’ possibile tuttavia adottare tipi differenti di dispersori e con diverse configurazioni al fine di ridurre tale valore.
Fatte queste considerazioni abbiamo tutti i dati per calcolarci la resistenza minima, che il dispersore deve possedere, per evitare situazioni pericolose. Consideriamo un’unità domestica (es. lavatrice) dove si lavora con 3 kW di potenza e con correnti massime consentite di 14 A. Ipotizziamo di utilizzare una lavatrice che assorba tutta la potenza dell’impianto (ovvero 3 kW). In caso di guasto si ha che, nel peggiore dei casi i 14 A potrebbero attraversare una persona per poi giungere a terra. La resistenza di terra da aversi affinché sulla carcassa della lavatrice ci siano massimo 50 V è data da:
se invece considerassimo un carico di 50 kW (ambito industriale)
Questi valori di resistenza sono molto bassi, ed è difficile trovare terreni la cui resistività ne garantisca bassi valori.
Per cui l’obbiettivo che ci si prefigge è: data una determinata resistività del terreno progettare un dispersore tale da garantire una bassa resistenza del terreno. L’unico parametro su cui possiamo agire è il raggio di tale dispersore. Nel caso in cui ci trovassimo a progettare un sistema di terra in cui abbiamo a che fare con del granito compatto la cui resistività è dell’ordine di 10^6 come ci comportiamo?
L’impianto di terra mi protegge fino a quando la corrente in relazione anche alla resistenza che sono riuscito ad ottenere è tale da mantenere i 50 V. Nel caso di un ambiente domestico la
deve essere minore di 3.5 Ohm, se sono riuscito ad ottenere un valore più grande (in quanto non si vuole aumentare eccessivamente il raggio del dispersore) come agisco? L’impianto di terra non basta.
Qui entra in gioco l’interruttore differenziale conosciuto come salvavita.
L’interruttore differenziale si basa su:
un accorgimento: in caso di corretto funzionamento, la corrente che attraversa la fase è uguale a quella che attraversa il conduttore neutro. In caso di guasto la corrente che è entrata sulla fase non esce tutta dal neutro ma torna alla cabina di trasformazione per mezzo del conduttore di terra. Si ha quindi una differenza di corrente tra fase-neutro.
legge di Faraday-Lenz:
secondo la quale in un circuito si induce una ddp (differenza di potenziale) dipendente dalla variazione del flusso magnetico che si concatena con la superficie delimitata dal circuito stesso. Una corrente alternata come quella della distribuzione elettrica a 50 Hz produce un campo magnetico variabile, e di conseguenza una differenza di potenziale.
Fatte queste fondamentali considerazioni, possiamo entrare in dettaglio nel funzionamento dell’interruttore differenziale. Il suo nome deriva dal fatto che è in grado di valutare la differenza di corrente tra due conduttori ed è composto da un toroide di materiale ferromagnetico. Attorno a questo nucleo vengono avvolti i conduttori di fase e neutro ed un terzo conduttore che controlla un interruttore. Nel caso in cui le due correnti sono perfettamente identiche lo sono anche i due flussi magnetici, di conseguenza il flusso totale è nullo. Tuttavia in caso di guasto, essendoci una differenza di corrente tra fase e neutro si crea un flusso netto dentro il nucleo ferromagnetico, il quale induce una ddp sul terzo avvolgimento (qui entra in ballo la legge di Faraday-Lenz). Tale ddp si traduce in una corrente che apre un interruttore il cui compito è quello di interrompere il flusso di corrente che giunge dalla cabina elettrica. Grazie al salvavita, i valori delle resistenze di terra non sono più stringenti rispetto al caso del solo impianto di terra in quanto ora non dobbiamo più considerare i 14 A, bensì la differenza sentita dal differenziale. L’interruttore deve quindi agire quando la differenza è pari a
ovvero la massima corrente consentita. In conclusione accoppiando l’impianto di terra e l’interruttore differenziale si è abbastanza protetti dai rischi elettrici.
La distribuzione dell’energia elettrica all’utente finale è l’ultima fase del processo comprendente produzione e trasporto. Prima di raggiungere l’utenza, l’energia elettrica attraversa la rete di distribuzione elettrica la quale comprende:
- linee ad alta tensione [60-400 kV]
- linee a media tensione [10-20 kV]
- linee a bassa tensione [0.05-1 kV]
In Italia si adotta un sistema di produzione, distribuzione, e utilizzo trifase a 400 V, ciò significa che l’energia elettrica viene distribuita su tre tensione elettriche alternate, aventi la stessa frequenza 50 Hz e lo stesso sfasamento di 120°.
Per quanto riguarda l’utenza, essa dispone di un sistema monofase, ciò significa che nelle abitazioni domestiche giungono due conduttori, una delle tre fasi e il neutro (il cui collegamento a terra viene effettuato dall’Enel). La tensione fase-neutro è di 220 V efficaci e 311 V di picco.
Per cui in ciascuna delle prese elettriche domestiche i buchi esterni corrispondo uno al conduttore di fase e l’altro al conduttore di neutro sul quale vi è il ritorno della corrente, e quindi la chiusura del circuito. Cosa possiamo dire del foro centrale?
Qui entra in gioco il discorso sulla sicurezza elettrica. Esso è collegato al sistema di terra dell’abitazione, il quale giunge al dispersore. Scopriremo subito la sua utilità. Prima di entrare nel dettaglio bisogna capire perché la corrente elettrica può essere pericolosa per l’uomo.
EFFETTI SULL’UOMO
Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano dipendono da
intensità’ della corrente
tempo di permanenza del contatto Il valore dell’intensità di corrente che scorre attraverso il corpo umano, è calcolabile per mezzo della legge di Ohm
Dato che, l’uomo è composto principalmente da acqua (in media 70%) e dato che l’acqua conduce corrente, la resistenza assume valori per i quali la tensione di 220 V può provocare un passaggio di corrente dannoso per uomo. Sotto quest’ottica il corpo umano è rappresentabile con una rete con tre impedenze: una interna del nostro corpo, che dipende da come siamo fatti e due di contatto riferite agli arti superiori e inferiori.
Le capacità in parallelo alle impedenza
Le resistenze raffigurate dipendono
dalla tensione alla quale siamo sottoposti
dal percorso che prende la corrente (in quanto a seconda degli organi che attraversa incontra una resistenza diversa)
dalle condizioni della pelle (asciutta o bagnata). Per cui dato che tale resistenza non è uniforme come nei circuiti elettrici, si tiene conto quanto vale mediamente nell’uomo, in modo tale da progettare correttamente un impianto di protezione.
Nel seguente grafico si presentano quattro zone colorate, ciascuna delle quali è caratterizzata da un range di valori per la corrente in mA a cui corrispondono dei rischi per l’uomo.
Zone di pericolosità della corrente elettrica alternata a 50 Hz
zona 1 e 2: sensazione debole o scossa, non si hanno effetti pericolosi.
zona 3: i danni causati al corpo sono reversibili, tuttavia prolungando la durata del contatto si può incorrere alla tetanizzazione ovvero alla contrazione muscolare della parte a contatto. Ciò può paralizzare il muscolo impedendo alla persona di staccarsi dal contatto in tensione, in questo modo aumenta il tempo di contatto che porta alla zona di rischio successiva.
zona 4: i danni possono essere irreversibili e fatali ovvero: fibrillazione, arresto cardiaco, arresto della respirazione e ustioni SITUAZIONI DI RISCHIO
Le situazioni di rischio in ambito domestico sono due:
Contatto diretto
Si ha quando si tocca direttamente il conduttore di fase, la corrente passa attraverso il corpo umano e ritorna alla cabina di trasformazione (ciò è altamente pericoloso se non fatale). Ci si può proteggere da questo rischio effettuando l’isolamento dei conduttori.
Contatto indiretto
La maggior parte degli involucri degli elettrodomestici sono metallici. In entrambi i disegni è rappresentato un dispositivo guasto.
A sinistra l’elettrodomestico non ha il collegamento a terra. Supponiamo che il conduttore di fase entri in contatto con la carcassa del dispositivo, essa che dovrebbe essere a potenziale zero, si ritroverebbe ad un potenziale di 220 V efficaci. Se una persona, che supponiamo abbia una resistenza interna di 1000 Ohm, entrasse in contatto con l’elettrodomestico, verrebbe attraversata da una corrente di 220 mA, estremamente pericolosa.
A destra l’elettrodomestico è collegato a terra, ciò implica che anche se si verificasse un guasto, il potenziale della sua carcassa non salirebbe a 220 V ma rimarrebbe idealmente a 0 V, in quanto il costruttore del dispositivo ha provveduto a collegare la carcassa al polo centrale della spina, la quale collegata al foro centrale della presa elettrica, permette il ritorno della corrente a terra. In definitiva le cariche si scaricano a terra passando dalla fase, alla carcassa del dispositivo, per poi giungere a terra.
A primo impatto sembrerebbe tutto risolto. Tuttavia vi è un inconveniente. Come già detto il potenziale del terreno è zero, d’altra parte il potenziale del punto di collegamento non è esattamente nullo ma dipende dalla resistenza del collegamento (carcassa-dispersore). Per cui, in caso di guasto, sulla carcassa non vi sarà una ddp di 220 V e neanche nulla, ma una tensione dipendente da tale resistenza; per cui quando realizzo il collegamento il problema è sapere fino a quale tensione un dispositivo guasto può salire senza essere un pericolo per l’uomo. In condizioni ordinarie la tensione massima tollerabile è di 50 V.
Di conseguenza, quando viene effettuato il collegamento di terra di un impianto domestico, la resistenza di terra va dimensionata in modo tale che in caso di guasto, la tensione venga mantenuta al di sotto di 50 V. La resistenza dell’impianto di terra (per un dispersore semisferico) è data dalla formula
dove
Fatte queste considerazioni abbiamo tutti i dati per calcolarci la resistenza minima, che il dispersore deve possedere, per evitare situazioni pericolose. Consideriamo un’unità domestica (es. lavatrice) dove si lavora con 3 kW di potenza e con correnti massime consentite di 14 A. Ipotizziamo di utilizzare una lavatrice che assorba tutta la potenza dell’impianto (ovvero 3 kW). In caso di guasto si ha che, nel peggiore dei casi i 14 A potrebbero attraversare una persona per poi giungere a terra. La resistenza di terra da aversi affinché sulla carcassa della lavatrice ci siano massimo 50 V è data da:
Per cui l’obbiettivo che ci si prefigge è: data una determinata resistività del terreno progettare un dispersore tale da garantire una bassa resistenza del terreno. L’unico parametro su cui possiamo agire è il raggio di tale dispersore. Nel caso in cui ci trovassimo a progettare un sistema di terra in cui abbiamo a che fare con del granito compatto la cui resistività è dell’ordine di 10^6 come ci comportiamo?
L’impianto di terra mi protegge fino a quando la corrente in relazione anche alla resistenza che sono riuscito ad ottenere è tale da mantenere i 50 V. Nel caso di un ambiente domestico la
Qui entra in gioco l’interruttore differenziale conosciuto come salvavita.
L’interruttore differenziale si basa su:
un accorgimento: in caso di corretto funzionamento, la corrente che attraversa la fase è uguale a quella che attraversa il conduttore neutro. In caso di guasto la corrente che è entrata sulla fase non esce tutta dal neutro ma torna alla cabina di trasformazione per mezzo del conduttore di terra. Si ha quindi una differenza di corrente tra fase-neutro.
legge di Faraday-Lenz:
secondo la quale in un circuito si induce una ddp (differenza di potenziale) dipendente dalla variazione del flusso magnetico che si concatena con la superficie delimitata dal circuito stesso. Una corrente alternata come quella della distribuzione elettrica a 50 Hz produce un campo magnetico variabile, e di conseguenza una differenza di potenziale.Fatte queste fondamentali considerazioni, possiamo entrare in dettaglio nel funzionamento dell’interruttore differenziale. Il suo nome deriva dal fatto che è in grado di valutare la differenza di corrente tra due conduttori ed è composto da un toroide di materiale ferromagnetico. Attorno a questo nucleo vengono avvolti i conduttori di fase e neutro ed un terzo conduttore che controlla un interruttore. Nel caso in cui le due correnti sono perfettamente identiche lo sono anche i due flussi magnetici, di conseguenza il flusso totale è nullo. Tuttavia in caso di guasto, essendoci una differenza di corrente tra fase e neutro si crea un flusso netto dentro il nucleo ferromagnetico, il quale induce una ddp sul terzo avvolgimento (qui entra in ballo la legge di Faraday-Lenz). Tale ddp si traduce in una corrente che apre un interruttore il cui compito è quello di interrompere il flusso di corrente che giunge dalla cabina elettrica. Grazie al salvavita, i valori delle resistenze di terra non sono più stringenti rispetto al caso del solo impianto di terra in quanto ora non dobbiamo più considerare i 14 A, bensì la differenza sentita dal differenziale. L’interruttore deve quindi agire quando la differenza è pari a
