Utente:Facquis/Sandbox/Impianto elettrico

Tubi corrugati dell'impianto elettrico su una parete

Per impianto elettrico si intende il complesso di componenti elettrici aventi caratteristiche elettriche fra di loro coordinate, realizzato al fine di soddisfare un determinato scopo (alimentazione elettrica di un appartamento, di un complesso industriale, di una macchina utensile, ecc.). Fanno parte dell’impianto elettrico tutti i componenti elettrici non alimentati tramite prese a spina e anche gli apparecchi utilizzatori fissi alimentati tramite prese a spina ma destinate unicamente all'alimentazione di detti apparecchi.

I componenti elettrici facenti parte dell'impianto elettrico possono essere identificati a titolo esemplificativo ma non esaustivo nei cavi elettrici e nelle relative conduttore di protezione, nelle cassette di derivazione, negli interruttori, nelle prese, nei dispositivi di protezione ecc.

Esistono due grandi categorie di impianti elettrici: quelli ad uso civile e quelli ad uso industriale. I primi sono realizzati nelle abitazioni private e nei luoghi di pubblico accesso come scuole e ospedali; i secondi sono realizzati nei complessi industriali e di produzione e sono utilizzati per alimentare il macchinario industriale.

Parametri caratteristici

Tensione nominale

Generalmente ha origine nel punto di fornitura che è il punto di prelievo in cui il fornitore mette a disposizione l'energia elettrica. Nel caso di autoproduzione, il punto di fornitura è identificato nei morsetti di uscita del generatore o del trasformatore, se esistente.

La tensione nominale di un sistema elettrico è il valore della tensione con il quale il sistema è denominato ed al quale sono riferite le caratteristiche elettriche di progetto e di funzionamento.

La tensione nominale di un impianto elettrico civile (quello delle nostre abitazioni) è di 230 V, ma può subire variazioni, entro dei limiti contrattualmente stabiliti con il fornitore.

Corrente di impiego

La corrente di impiego $I_{B}$ è quel valore di intensità di corrente a cui è sottoposto un impianto elettrico durante il suo normale funzionamento. Il calcolo della corrente di impiego è particolarmente importante per il corretto dimensionamento dei cavi elettrici dell'impianto, infatti a causa dell'effetto Joule la potenza elettrica trasmessa dai conduttori viene in parte dissipata in calore, oltre ad essere assorbita dai carichi elettrici collegati all'impianto. Questo fenomeno provoca un aumento della temperatura dell'isolante elettrico e il suo deterioramento. In generale allora:

$I_{B}={\frac {P_{a}}{V\,\eta }}\,k_{u}\,k_{c}$

dove $P_{a}$ è la potenza attiva assorbita dai carichi, $V$ è la tensione nominale dell'impianto, $\eta$ il rendimento dei carichi collegati, $k_{u}$ il fattore di utilizzazione e $k_{c}$ il fattore di contemporaneità.

Il fattore di conversione delle potenze espresse in kiloWatt (kW) e delle correnti espresse in Ampere (A) è un coefficiente utilizzato nel calcolo del dimensionamento dei conduttori, usualmente indicato dalla lettera e. Mentre, in genere, i vari coefficienti si ricavano analizzando le condizioni dell'impianto o dalle relative tabelle, il fattore di conversione e si ricava in questo modo: al numeratore c'è sempre la potenza P per unità di misura espressa in Watt (W) ma poiché si esprime in kilowatt, 1 Kw = 1000.W

• Per gli impianti monofase sarà quindi 1000 W / 230 V = 4,35.
• Per gli impianti trifase sarà 1000 W / (√3 * 400 V ) = 1,4

Il risultato di queste due frazioni sarà un numero puro, ossia senza unità di misura.

Il fattore di utilizzazione (denominato anche "Ku") in elettrotecnica è il coefficiente che stabilisce il rapporto tra potenza mediamente assorbita dall'utilizzatore P e la sua potenza nominale Pn. È possibile calcolarlo facendo: $f_{u}={\frac {P_{m}}{P_{n}}}$ dove $P_{m}$ é le potenza media giornaliera; un $f_{u}$ prossimo all'unità è indice di buona utilizzazione. Questo coefficiente è utilizzato insieme al coefficiente di contemporaneità per il calcolo della potenza impegnata in un impianto elettrico, che sia industriale o domestico.

Caduta di tensione

I momenti amperometrici sono grandezze che tengono conto sia dell'intensità della corrente, sia della distanza del carico dal punto di origine della linea elettrica.

Hanno le dimensioni: [M] = m • A

Formulazione ed utilizzo

Si utilizzano nel dimensionamento delle linee elettriche con carichi distribuiti per ricavare la sezione del conduttore da utilizzare nella linea.

Si prendono in esame varie tipologie di linea e se ne ricava la relativa equazione dei momenti:

Linea in continua a sbalzo

schema di una linea a sbalzo e relativo schema equivalente

Si consideri una linea bifilare che alimenti k carichi di potenza nominale nota e posti a distanza note dall'estremità in cui è presente il generatore che alimenti la linea a tensione $U_{A}$.

Si applica il teorema di sostituzione ai carichi, sostituendo al loro posto generatori ideali di corrente; nella sezione h si ha:

• $R_{Ah}=\sum _{i=1}^{h}R_{i}=2{\rho \over S}l_{Ah}$
• $U_{k}=U_{kA}+\sum _{h=1}^{k}U_{kh}=U_{A}-\sum _{h=1}^{k}R_{Ah}I_{h}$

dove $U_{kA}=U_{A}$ quando agisce solo il generatore all'estremità e $U_{kh}=-R_{Ah}I_{h}$ contributo di un singolo generatore di corrente (corrispondente ad ogni carico assorbito).

Dato che $U_{min}=U_{k}$ essendo la sezione di prelievo più lontana, si ricava:

• $\Delta U=U_{A}-U_{k}=\sum _{h=1}^{k}R_{Ah}I_{h}=2{\rho \over S}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}$

che è l'equazione dei momenti, perché la quantità $l_{Ah}I_{h}$ è detta momento elettrico in quanto è il prodotto di una lunghezza, intesa come braccio, per la corrente.

Da questa equazione, noti tutte le grandezze in gioco, si può ricavare S: sezione del conduttore.

Linea monofase a sbalzo

schema di una linea monofase a sbalzo e relativo schema equivalente

Si consideri una linea che alimenti k carichi di potenza nominale nota e posti a distanza note dall'estremità in cui è presente il generatore che alimenti al linea a tensione $U_{A}$.

Si applica il teorema di sostituzione ai carichi, ponendo al loro posto generatori ideali di corrente; nella sezione h si ha:

• $Z_{Ah}=\sum _{i=1}^{h}Z_{i}=R_{Ah}+jX_{Ah}=\left({2\rho \over S}+j2X_{l}\right)l_{Ah}$
• $U_{k}=U_{kA}+\sum _{h=1}^{k}U_{kh}=U_{A}-\sum _{h=1}^{k}Z_{Ah}I_{h}$

assumendo che le tensioni dei carichi siano in fase fra di loro, si ottiene la caduta di tensione della linea:

• $\Delta U=U_{A}-U_{k}=\sum _{h=1}^{k}R_{Ah}I_{h}\cos \varphi _{h}+\sum _{h=1}^{k}X_{Ah}I_{h}\sin \varphi _{h}$

la caduta di tensione è pari alla somma della caduta di tensione attiva e della caduta di tensione reattiva:

• ${\begin{cases}\Delta U_{a}=2{\rho \over S}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}\cos \varphi _{h}=2{\rho \over S}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{hr}\\\Delta U_{r}=2X_{l}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}\sin \varphi _{h}=2X_{l}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{hr}\end{cases}}$

equazione dei momenti nel caso di linea monofase.

Linee elettriche trifase

Per le linee elettriche trifasi simmetriche ed equilibrate, si può associare la rete monofase equivalente ricordando che l'impedenza longitudinale della linea trifase vale:

• $Z_{Ah}=\sum _{i=1}^{h}Z_{i}=\left({\rho \over S}+j2X_{l}\right)l_{Ah}$

è uguale alla metà di quella che compete alla line monofase. Da ricordare anche che le tensioni trovate devono essere moltiplicate per ${\sqrt {3}}$ poiché sono tensioni concatenate.

Introduzione

Le linee elettriche sono dimensionate in modo che in ogni condizione di normale funzionamento la caduta di tensione ΔU sia sempre molto contenuta (entro pochi punti percentuali dalla tensione di alimentazione), per garantire che ai carichi siano applicate tensioni che si scostino di poco dalla tensione nominale. La massima caduta di tensione ammissibile è dettata dagli utilizzatori, in particolare:

• Lampade ΔU < 4%
• Motori ΔU < 10%

Queste condizioni devono essere rispettate soprattutto per le reti BT, in quanto queste sono sprovviste di dispositivi di regolazione della tensione; quindi nel progetto di una linea la ΔU diventa una specifica.

Inoltre la norma CEI 64-8 (Impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione, fino a 1000 V in c.a. e a 1500 V in c.c.) consiglia di attestare la caduta di tensione a valori inferiori al 4% della tensione nominale dell'impianto (eccezion fatta per gli impianti di illuminazione esterna per i quali il limite massimo è portato al 5%).

Ci si pone lo scopo di dimensionare una linea elettrica in MT (media tensione ~ U>1000V) e in BT (bassa tensione ~ U=230V o 400V), conoscendo le dislocazione e le potenze dei carichi.

Dimensionamento

Si sviluppa in due parti:

• Calcolo preliminare, che consiste nella determinazione delle sezioni del conduttore che soddisfano precise condizioni;
• Calcolo di verifica, che consiste nella verifica delle condizioni imposte, una volta determinata la sezione.

I criteri fondamentali usati per il dimensionamento delle linee elettriche di distribuzione MT e BT sono i seguenti:

1. Dimensionamento elettrico
2. Dimensionamento termico

Dimensionamento elettrico

Conoscendo tensione di alimentazione, potenze assorbite dai carichi e la loro dislocazione si procede al calcolo dell'equazione dei momenti amperometrici applicati alla linea in corrente continua:

$\Delta U={U_{A}}-{U_{k}}=\sum _{h=1}^{k}R_{Ah}I_{h}=2{\rho \over S}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}$

o in corrente alternata:

$\Delta U={U_{A}}-{U_{k}}=\sum _{h=1}^{k}R_{Ah}I_{h}\cos \varphi _{h}+\sum _{h=1}^{k}X_{Ah}I_{h}\sin \varphi _{h}$

Imposta la caduta di potenziale ΔU, si stabilisce come realizzare la linea (aerea o in cavidotto). Quindi si definisce in base al materiale la sua resistività ρ (tipicamente rame o alluminio), resta come unica incognita la sezione minima S ed esplicitandola otteniamo:

$S\geq 2{\rho \over \Delta U}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}$

questa può essere usata anche per una linea il corrente alternata con caduta di tensione reattiva trascurabile (come avviene per le linee in cavo). Qualora non fosse trascurabile la situazione si complica in quanto la sezione S influenza sia la resistenza che la reattanza secondo espressioni non invertibili. Quindi si utilizzano metodi di calcolo automatico iterativi; per avere comunque un'idea del calcolo si procede alla seguente semplificazione:

• Si calcola la S con la relazione:

  $S\geq K{\rho \over \Delta U}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}\cos \varphi _{h}+K{X_{l} \over \Delta U}\sum _{h=1}^{k}l_{Ah}I_{h}\sin \varphi _{h}$

K è un coefficiente che assume i seguenti valori

2 per linee monofase;

√3 per linee trifase;

• La ΔU calcolata deve essere tale che:

  $\Delta U<\ \Delta U_{max}$

  Da questa relazione si determina la sezione teorica S.

• Si sceglie il valore di sezione commerciale approssimato per eccesso e si calcola la ΔU effettiva ΔU_eff.
• Se $\Delta U_{eff}<\ \Delta U_{max}$ il tipo di tale conduttore ha superato la verifica della massima caduta di tensione.

Dimensionamento complessivo

I criteri illustrati non sono gli unici possibili, per esempio il criterio del massimo tornaconto economico (consiste nella determinazione della sezione che rende minimo l'onere totale annuo). Un altro può essere quello della rendita di corrente costante (che comporta sezioni di conduttore diverse per i tratti di linea aventi correnti diverse). Inoltre il vincolo potrebbe essere posto invece sulle perdite di linea, in modo da ottenere un prefissato rendimento di trasmissione

Messa in opera

Altri aspetti del dimensionamento di una linea sono il dimensionamento per le sollecitazioni meccaniche e chimiche, del tipo di posa e di ancoraggio, dei supporti (in particolare dei pali o dei tralicci, per le linee aeree), fino alla determinazione del tipo di terminazione delle estremità.

Dimensionamento nel cablaggio di impianti ad uso residenziale

In questo caso il criterio di partenza consiste nel considerare la portata del limitatore di corrente (magnetotermico) installato a monte. La sezione minima calcolata, per rispettare i desiderati limiti termici e/o di caduta di tensione tollerabile, deve essere tale che in ogni punto dell'impianto, a valle di una data protezione, sia ammissibile la massima corrente attraversabile da tale protezione. Questo significa che di norma non ha senso cablare l'impianto ad "albero", come si fa con gli impianti idraulici (ovvero con montanti principali di sezione maggiorata, seguiti dai rami a sezione minore), ma ogni ramo deve essere di sezione calcolata in modo tale da sopportare la massima corrente erogabile, perciò sarà la stessa dal montante fino ad ogni punto di prelievo.

Portata dei cavi elettrici

È il criterio prevalente per linee molto corte e in particolare per i cavi e le sbarre.

Il surriscaldamento dovuto a densità di corrente elevata altera la bontà della trasmissione in quanto aumenta la resistenza; di conseguenza le caratteristiche di isolamento dei cavi non sono più garantite.

Per le linee in cavo il dimensionamento termico consiste nell'adottare sezioni tali da garantire che in nessun punto la temperatura raggiunga valori pericolosi per l'isolamento, scegliendo il tipo di cavo in funzione del numero di conduttori, del livello di isolamento e del tipo di posa.

Per definire i criteri si consideri un cavo di resistività ρ, di lunghezza L e di sezione S:

$R=\rho {L \over S}=\left.\rho {1 \over S}\right|_{L=1}[\Omega ]$

A regime (quando la temperatura si stabilizza), tutto il calore prodotto per effetto Joule $P_{j}$ viene trasmesso all'ambiente esterno $P_{t}$.

In condizioni di equilibrio termico: $P_{j}=P_{t}\rightarrow \rho {1 \over S}I^{2}=Ks\Delta \theta$

dove

• K è l'adduttanza termica ossia il numero di Watt di calore dispersi dall'unità di superficie, per ogni grado di sovratemperatura di quel conduttore
• s è la superficie disperdente per unità di lunghezza del conduttore
• Δθ = θc - θa è la sovratemperatura del conduttore rispetto alla temperatura ambiente θa

si ricava l'espressione dell'intensità di corrente e della densità di corrente:

$I={\sqrt {{Ks\Delta \theta } \over \rho }}$

$\sigma ={I \over A}={\sqrt {{Ks\Delta \theta } \over {\rho A}}}$

Quindi dalla condizione di equilibrio termico si determinano le correnti e densità di corrente massime ammissibili $I_{max}$ e $\sigma _{max}$.

Va poi individuato il tratto di linea in cui la corrente presenta l'intensità più elevata (si tratta di un tratto attiguo ad una sezione di alimentazione) e quindi, facendo uso della tabelle fornite dal costruttore, si individua la sezione che ha portata non inferiore a $I_{max}$

Eseguito il calcolo preliminare si dovrà scegliere il valore della sezione commerciale prossimo per eccesso al valore calcolato e quindi verificare che risulti:

$\sigma \leq \sigma _{max}$

$\Delta U\leq \Delta U_{max}$

Problemi e protezioni

Interruttore magnetotermico contro sovraccarico e cortocircuito

Interruttore differenziale contro la dispersione elettrica

Fusibili contro le sovracorrenti

Simbolo della messa a terra

Guasti

Negli impianti elettrici possono verificarsi guasti o malfunzionamenti. Le principali situazioni anomale in cui un impianto elettrico si può trovare sono:

• cortocircuito: problema dovuto a un difetto d'isolamento (impianto guasto), che danneggia le apparecchiature e indirettamente le persone;
• dispersione elettrica: problema dovuto a un difetto d'isolamento (impianto guasto), che danneggia le persone;
• sovraccarico: problema dovuto a un dimensionamento sbagliato dei conduttori o a carichi troppo elevati (impianto sano), che deteriora le apparecchiature e può portare, nel tempo, a cortocircuiti e dispersioni;
• sovratensione: problema dovuto a un fulmine o a un altro effetto fisico indesiderato (impianto sano), che danneggia le apparecchiature.

Protezioni

Per evitare che questi eventi producano danni alle persone o alle cose, devono essere installati appositi apparecchi di protezione. I principali apparecchi sono:

• interruttore magnetotermico: è un dispositivo per la protezione dell'impianto, che integra sia una protezione magnetica per i cortocircuiti, sia una protezione termica per i sovraccarichi;
• interruttore differenziale (nel linguaggio corrente conosciuto come "salvavita"): è un dispositivo per la protezione delle persone, che protegge dalle dispersioni elettriche;
• interruttore magnetotermico differenziale: è un dispositivo per la protezione di impianto e persone, che in uno stesso dispositivo integra le tre protezioni, magnetica, termica e differenziale;
• fusibile: è un dispositivo per la protezione contro le sovracorrenti, negli impianti domestici è utilizzato quasi esclusivamente per la protezione di piccoli utilizzatori come alimentatori per impianti citofonici o trasformatori per campanelli, in ambito industriale trova impiego comune nella protezione dei motori contro i cortocircuiti; dev'essere sostituito ogni volta che interviene;
• scaricatore: è un dispositivo per la protezione dell'impianto, che protegge dalle sovratensioni.
• salvamotore: è un interruttore magnetotermico specifico per la protezione dei motori contro sovraccarichi e cortocircuiti, con soglia d'intervento termico tarabile; spesso è sostituito da un interruttore termico per motori abbinato a fusibili.

Inoltre, perché gli interruttori differenziali possano funzionare adeguatamente devono essere coordinati con un impianto di messa a terra, ma il loro utilizzo è indispensabile (oltre che obbligatorio) anche negli impianti che ne sono privi.

Normativa

Le disposizioni di origine legislativa e di normazione tecnica relative alla progettazione, alla costruzione, alla manutenzione e conduzione degli impianti elettrici, hanno lo scopo di proteggere le persone e le cose dal rischio di elettrocuzione, dal rischio di incendio e di esplosione. In genere si basano su disposizioni di ordine generale emanate da organizzazioni di produzione normativa a livello internazionale e successivamente adottate o recepite con o senza modifiche a livello nazionale. In ambito legislativo ne sono esempio le direttive di origine europea successivamente recepite dalle singole legislazioni nazionali e in ambito di normazione tecnica, le norme tecniche prodotte dalla Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) e dal Comitato europeo per la normalizzazione elettrotecnica (CENELEC) successivamente adottate dagli enti di normazione nazionale.

Italia

Tubi corrugati dell'impianto elettrico al suolo

La legge 5 marzo 1990, n. 46 regolava la progettazione degli impianti elettrici, è stata sostituita poi completamente dal D.M. 37 del 22 gennaio 2008; tale decreto ministeriale stabilisce quali siano i soggetti abilitati a progettare e realizzare le principali tipologie di impianti relativi a tutti gli edifici e a quali obblighi e prescrizioni debbano attenersi tali soggetti.

Fondamentale nella progettazione, realizzazione e collaudo di un impianto elettrico sono le norme del Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) a metterlo in regola. Gli impianti elettrici in bassa tensione alimentati da un ente elettrocommerciale devono comprendere un impianto di messa a terra (sistema TT) in quanto necessario per la protezione dai contatti indiretti.

Bilbliografia

• Comitato elettrotecnico italiano, Norma CEI 64-8 per impianti elettrici utilizzatori (PDF), 2007.
• AEI - ANIE - CEICEI, Impianti di distribuzione dell’energia elettrica: criteri generali, 2001.
• Andrea Cristofolini, Elementi di impianti elettrici (PDF), Università di Bologna.

Voci correlate

• Fase (elettrotecnica)
• Neutro (elettrotecnica)
• Interruttore
• Messa a terra
• Normativa elettrica
• Arc Fault Detection Devices
• Codifica colori cavi elettrici
• Commutatore statico
• Deviatore
• Disgiuntore
• Quadro elettrico
• Schema elettrico
• Sistema di protezioni elettriche
• Fattore di utilizzazione
• Fattore di conversione delle potenze