La corrente alternata (AC) fu scelta per la distribuzione dell'energia elettrica alla fine del diciannovesimo secolo, al termine della cosiddetta War of the currents tra i personaggi ritratti nell'immagine di apertura. Il motivo principale di tale scelta fu la disponibilità di trasformatori che permettono, solo per la corrente alternata, di elevare o ridurre la tensione senza perdere potenza (nota 1).
Ancora oggi, dopo oltre un secolo, l'energia elettrica viene in gran parte prodotta e distribuita secondo lo schema proposto da Nikola Tesla e George Westinghouse (nota 3).
La decisione di usare una tensione elevata per trasportare l'energia elettrica deriva dalle seguenti considerazioni:
La soluzione genericamente adottata, perché tecnicamente ed economicamente conveniente, è oggi:
All'interno delle abitazioni l'energia elettrica è portata con una coppia di fili elettrici; la tensione alternata, in Europa, è di circa 230 V (efficaci); la corrente efficace massima per una singola abitazione varia da 15 A a 30 A (da 3 kW a 6 kW), in base al contratto.
In genere i cavi utilizzati negli impianti civili sono in rame, a corda; la sezione è tipicamente:
La figura seguente mostra questi tre cavi a confronto:
I due fili sono indicati come neutro (sempre di colore blu) e fase (normalmente di colore marrone, nero oppure grigio). Come indica il nome, il neutro si trova ad un potenziale elettrico... neutro, cioè approssimativamente pari a 0 V, quello del terreno. Il generatore di energia elettrica, posto all'interno della centrale, è collegato con un polo al potenziale neutro e con l'altro alla fase; il neutro è collegato anche al terreno fisico, per garantire un potenziale nullo. Analogamente un utilizzatore per poter funzionare è collegato tra fase e neutro. La quasi totalità delle apparecchiature elettriche funzionano indipendentemente da come fase e neutro sono collegate.
La figura seguente mostra in alto i conduttori di neutro e fase normalmente presenti all'interno degli impianti elettrici, con sezione 2.5 mm2; la corda in rame è isolata dalla guaina colorata (per esempio in PVC) ed in genere sono posati all'interno di canaline in plastica ignifuga. In basso è visibile il tipico cavo di alimentazione di un'apparecchiatura in cui, oltre a fase e neutro, è presente anche il filo di terra; anche in questo caso i singoli conduttori in rame sono isolati da una guaina colorata ed il tutto è inserito in un isolante, nero in figura.
In sistemi industriali o in genere ad alta potenza le fasi sono tre (trifase) mentre il neutro è sempre uno o potrebbe anche non essere presente in alcune reti (nota 2). Ovviamente la potenza può essere, anche di molto, superiore ai 6 kW sopra indicati.
I danni all'uomo sono causati dalla corrente e non dalla tensione; per avere passaggio di corrente è necessario quindi che il circuito sia chiuso e che la tensione presente sia sufficientemente elevata per generare una corrente pericolosa. Vediamo alcuni casi concreti, riferiti alla tensione di 230 VAC:
Normalmente le persone sono con i piedi per terra, cioè in contatto, anche elettrico, con un potenziale neutro. Toccando con un dito una fase, la corrente percorre il braccio, il tronco, le gambe ed infine tramite i piedi arriva al terreno e attraverso di esso torna al generatore.
Da notare che il passaggio di corrente avviene in questo caso senza interessare il filo del neutro, ma attraverso il terreno.
Toccare un filo elettrico è un'operazione che, fin da piccoli, sappiamo essere pericolosa. Quindi per evitare questo tipo di incidente parrebbe sufficiente un po' di attenzione e un impianto elettrico protetto dal contatto diretto con la fase.
Cosa succede se si tocca solo la fase, stando sollevati dal terreno? Nulla, essendo il circuito aperto e quindi nulla la corrente! Questo vale anche per tensioni molto elevate e permette per esempio agli uccelli di posarsi sui cavi dell'alta tensione, che non sono isolati.
Purtroppo gli umani fanno fatica a non stare a contatto con il suolo...
Un caso piuttosto frequente è quello in cui si tocca un oggetto metallico che a sua volta è in contatto con la fase. Potrebbe succedere nelle apparecchiature con carcassa metallica a causa di ruggine, acqua all'interno, invecchiamento o rottura di un isolate. In questo caso è sufficiente toccare, per esempio, il coperchio di una lavatrice per essere folgorati, in modo analogo a quando si tocca il filo della fase.
Tale contatto è detto indiretto; è piuttosto frequente perché non è pericolo visibile e quindi è più difficile da evitare semplicemente prestando attenzione.
Toccare il neutro non produce danni alle persone: il suo potenziale è infatti quello del terreno e quindi non si possono avere correnti pericolose. Ci sono però due problemi:
In questo caso la corrente attraversa il corpo passando attraverso i fili dell'impianto elettrico, fase e neutro, senza interessare il terreno (nota 7). Ovviamente è un caso limite e difficilmente avviene involontariamente.
Negli impianti elettrici civili sono da anni obbligatori due dispositivi per la protezione delle persone dalla folgorazione, l'interruttore differenziale e l'impianto di terra, entrambi obbligatori negli impianti civili (nota 5).
Inoltre è presente un interruttore magnetotermico (o un fusibile) che ha lo scopo di impedire che la corrente nei fili superi quella massima ammessa, evitando incendi.
La terra è, come dice il nome, un collegamento elettrico al terreno, costituito da alcuni pali metallici infissi nel terreno nelle immediate vicinanza dell'utilizzatore. Questi pali devono essere collegati ad un cavo elettrico obbligatoriamente di colore giallo/verde, a sua volta collegato a tutti gli elementi metallici che costituiscono la carcassa degli apparati elettrici.
Il simbolo della terra è il seguente:
La presenza di un impianto di terra garantisce contro i contatti indiretti in quanto il potenziale elettrico all'esterno degli apparecchi elettrici è sempre nullo, in quanto collegato direttamente al terreno.
L'immagine seguente mostra una coppia di prese e spine "italiane", da 16 A e 10 A, riconoscibili dalla diversa sezione dei contatti, oltre che dalla distanza tra di essi. Il contatto di terra è in entrambi i casi quello centrale, riconoscibile dall'assenza della protezione in plastica; fase e neutro non sono identificabili dall'esterno.
L'immagine seguente mostra una spina ed una presa di tipo Schuko (spesso indicata come "tedesca"), da 16 A, molto diffusa in Europa. Fase e neutro sono i due contatti cilindrici (non identificabili); la terra è il doppio contatto laterale, in alto ed in basso in figura.
L'impianto di terra deve essere collaudato ogni due anni nelle installazioni a maggior rischio (per esempio nelle scuole) e ogni cinque in tutti gli impianti.
Il collegamento di terra è obbligatorio per tutte le apparecchiature in cui un guasto può mettere in contatto la fase con una parte metallica presente all'esterno. Se questo tipo di guasto non è possibile, tipicamente nelle apparecchiature con l'esterno in plastica, è ammesso evitare il cavo di terra. In questo caso è presente il simbolo di doppio isolamento:
L'interruttore differenziale è un dispositivo di protezione destinato a proteggere le persone dalla folgorazione.
Questo dispositivo misura la corrente nel filo della fase e quella nel filo del neutro ed apre il circuito quando la differenza tra le due correnti supera un determinato valore, tipicamente 30 mA negli impianti civili. L'idea:
Da notare che l'interruttore differenziale non protegge le persone nel caso di contatto contemporaneo con fase e neutro, soprattutto se la vittima è isolata dal terreno.
Di seguito l'immagine di un prodotto commerciale:
Possiamo vedere:
Esistono vari tipo di interruttore differenziali; il tipo AC è progettato per carichi principalmente resistivi; i tipi A, F e B proteggono, in senso crescente, anche nel caso di correnti continue, pulsanti e contenenti armoniche, casi piuttosto frequenti nel caso di apparecchiature elettroniche di elevata potenza.
Un'alternativa all'uso dell'interruttore differenziale è la presenza di resistenze elevate in serie al generatore: esse impediscono correnti elevate anche in presenza di tensioni elevate. Un caso tipico sono le recinzioni per animali, normalmente alimentate a tensioni tra 2 kV e 10 kV, ma incapaci di generare correnti superiori a pochi millesimi di ampere e quindi di produrre danni fisici a persone o animali.
Questo interruttore ha il compito di interrompere il passaggio di corrente quando questa supera un determinato valore. Normalmente è presente un interruttore magnetotermico che protegge l'intero impianto (per esempio: 32 A) ed altri che proteggono parti specifiche (per esempio 6 A per l'illuminazione; 15 A per le prese generiche; 25 A per la cucina).
Il funzionamento si basa sugli effetti termici e magnetici della corrente elettrica, da cui il nome:
Il legame tra corrente e tempo di intervento è riportato graficamente in una curva di intervento, simile alla seguente. L'area bianca descrive quando l'interruttore magnetotermico interviene e le due linee sono il limite minimo e quello massimo:
La figura seguente mostra sulla destra un interruttore magnetotermico (leva di comando nera) affiancato ad un interruttore differenziale (leva blu).
La funzione dell'interruttore magnetotermico è simile a quella del fusibile: aprire il circuito quando la corrente è troppo elevata. Esso è costituito da un semplice filo che, quando attraversato di una corrente eccessiva "brucia", interrompendo il passaggio di corrente. Due le differenze significative tra fusibile ed interruttore magnetotermico:
Nella figura seguente si vede un fusibile per uso automobilistico, un fusibile spesso presente all'interno di apparecchiature, un fusibile per proteggere un impianto di un'abitazione.
In un impianto possono essere presenti sia i fusibili che gli interruttori magnetotermici.
Pagina creata nel settembre 2021
Ultima modifica: 20 luglio 2024
Appunti scolastici - Versione 0.1026 - Agosto 2024
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