I sistemi IT secondo le norme

Sistemi di messa a terra

I sistemi di messa a terra fondamentali sono presentati nella norma DIN VDE 0100-100 (VDE 0100-100):2009-06. Nella sezione 131.1 di questa norma viene segnalato che con questi requisiti viene garantita la sicurezza di persone, animali di allevamento e oggetti di valore relativamente a pericoli e danni che possono insorgere in caso di utilizzo conforme alle disposizioni di impianti elettrici. Tra i rischi, in particolare, si annoverano la comparsa di pericolose correnti corporee e l’interruzione dell’alimentazione elettrica.

Il sistema IT viene descritto nelle sezioni 312.2.3 (AC), 312.2.4.5 (DC) e nell’allegato A. Viene stabilito che tutte le parti attive sono isolate da terra ovvero che un punto è collegato a terra tramite un’impedenza. I corpi (delle apparecchiature elettriche) di impianti elettrici sono messi a terra singolarmente o in modo congiunto, ovvero collegati insieme con la messa a terra del sistema (vedi anche DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10) 411.6. Il sistema può essere collegato a terra anche tramite un’impedenza sufficientemente elevata. Questa possibilità viene utilizzata in Germania unicamente a fini di misurazione o funzionali.

Figura 1: confronto tra un sistema IT (figura di sinistra) e un sistema TN in presenza di un primo guasto d’isolamento

La fonte di energia

Per la fonte di energia occorre differenziare tra un “normale” sistema IT o un sistema IT utilizzato in campo medico. Per la fonte di energia è necessaria una separazione con isolamento di base che, nella pratica, si ottiene per lo più utilizzando un trasformatore d'isolamento. Il medesimo risultato può essere raggiunto anche utilizzando una batteria, un sistema PV autarchico o un generatore mobile di corrente. Le correnti di dispersione, nei sistemi IT utilizzati in campo medico, devono essere particolarmente basse per i possibili pericoli per i pazienti in caso di interventi intracardiaci (ad es. a cuore aperto). Il trasformatore di isolamento richiesto è descritto nella norma DIN EN 61558-2-15 (VDE 0570-2-15):2012-09.

Figura 2: schema di un sistema IT in campo medico secondo la norma DIN VDE 0100-710:20xx

Messa a terra

Il sistema IT, nella pratica, viene chiamato spesso “sistema di alimentazione elettrica senza messa a terra”. L'espressione “senza messa a terra” si riferisce tuttavia solamente al collegamento tra tutti i cavi attivi e l’impianto di messa a terra. I corpi, secondo la norma DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, sezione 411.3.1.1 “Messa a terra di protezione”, devono essere collegati con un cavo di protezione a seconda della tipologia di collegamento a terra. Per il sistema IT ciò significa, ai sensi della sezione 411.6.2, che i corpi devono essere messi a terra singolarmente, a gruppi o insieme e che devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

nei sistemi a corrente alternata

nei sistemi a corrente alternata R_A × I_d ≤ 50 V

Nella formula,

R_A è la somma delle resistenze nel Ω dell’elettrodo di terra e del cavo di protezione rispetto al corpo;

I_d è la corrente di guasto in A in caso di primo guasto con impedenza trascurabile tra un cavo esterno e un corpo.

Nei sistemi a corrente continua non viene tenuto in considerazione il limite della tensione di contatto poiché il valore diI_dè ritenuto talmente piccolo da essere trascurabile.

Figura 3: confronto della messa a terra nel sistema IT e nel sistema TN

Il 1° guasto nel sistema IT

La corrente di guasto I_d a seguito del verificarsi di un 1° guasto verso un corpo o verso terra, è molto bassa e non è necessario un disinserimento automatico (DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, sezione 411.6.1), a condizione che la messa a terra sia stata realizzata secondo la sezione 411.6.2. Ciò significa che la resistenza del cavo di protezione R_A è parallela alla resistenza del corpo, che la corrente di guasto, di per sé molto bassa, fluisce su questo cavo di protezione e che la tensione di contatto rimane significativamente al di sotto del valore massimo consentito di 50 V. Ciò è particolarmente utile, specie nel settore medico.

Il valore della corrente di guasto Id viene determinato, in caso di primo guasto, tramite la tensione nominale, la frequenza nominale così come l’attivazione parallela della capacità di dispersione dalla rete e della resistenza d’isolamento dell’impianto elettrico verso terra. In caso di primo guasto, la corrente di guasto fluisce con impedenza trascurabile tra un cavo esterno e un corpo. In presenza di un buon livello di isolamento del sistema elettrico, il valore I_d ipuò essere determinato con buona approssimazione sulla base della capacità di dispersione della rete e può essere calcolato nel modo seguente:

per sistema 3ph

I_Ce = U⁄√3 ×3ω × C_e = U ×√3×ω ×C_e

per sistema 1ph

I_Ce = U × ω × C_e

Figura 4: corrente di guasto Id in caso di primo guasto d’isolamento nel sistema IT (schema di circuito equivalente)

Figura 5: esempio di tensione di contatto U_T dopo un primo guasto

Dispositivi di protezione e monitoraggio

Secondo la norma DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, sezione 411.6.3, possono essere utilizzati nei sistemi IT i seguenti dispositivi di monitoraggio e protezione:

Dispositivi di monitoraggio dell'isolamento (IMD);
Dispositivi di controllo della corrente differenziale (RCM);;
Dispositivi di ricerca dei guasti d’isolamento (IFLS);;
Dispositivi di protezione dalle sovracorrenti;
Dispositivi di protezione da correnti di guasto (RCD).

Secondo la sezione 411.6.3.1 deve essere previsto un dispositivo di monitoraggio dell’isolamento (IMD) per segnalare un primo guasto tra una parte attiva e un corpo o verso terra. Questo dispositivo deve produrre un segnale acustico e/o visivo di lunghezza pari alla durata del guasto d’isolamento. Si consiglia di eliminare il primo guasto il più rapidamente possibile. L’eliminazione del guasto “il più rapidamente possibile” dipende dalle condizioni pratiche dell’impianto. Il sistema IT, fondamentalmente, presenta il vantaggio che un guasto d’isolamento non debba essere eliminato immediatamente, ma che la sua rimozione possa essere rinviata , ad esempio, fino alla successiva manutenzione dell’impianto.

Dispositivi di ricerca dei guasti d’isolamento (IFLS)

Con i dispositivi di ricerca dei guasti d’isolamento (IFLS) possono essere localizzate uscite o apparecchiature guaste durante il funzionamento, non rendendo così necessaria la disconnessione dell’impianto. Per la ricerca del guasto vengono sovrapposti al sistema IT impulsi di misura che sono poi registrati e valutati da trasformatori di correnti di misura. In base all’assegnazione del trasformatore di corrente di misura/uscita, può essere così individuata facilmente l’uscita con il guasto.

Figura 6: rappresentazione schematica del sistema IT con IMD e IFLS

Dispositivi di controllo della corrente differenziale (RCM)

Gli apparecchi di controllo della corrente differenziale (RCM) possono funzionare solamente in modo limitato (vedi dispositivi di protezione da correnti di guasto (RCD))

Dispositivi di protezione dalle sovracorrenti

La progettazione dei dispositivi di protezione dalle sovracorrenti avviene tenendo in considerazione la norma DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10. Per i sistemi IT, in particolare, occorre fare attenzione a quanto segue:

Nei sistemi IT per il settore medico non è consentito utilizzare una protezione in caso di sovraccarico nel circuito della corrente d’uscita (circuito secondario) del trasformatore, ossia è necessaria solamente una protezione dai cortocircuiti. Per questo motivo devono essere monitorate la corrente di carico e la temperatura del trasformatore e devono essere comunicati gli scostamenti (sezione 710.411.6.3.101)
Ai sensi della norma DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10, sezione 431.1.1, devono essere messi in sicurezza tutti i cavi attivi (su tutti i poli). Vedi anche, nella norma DIN VDE 0100-557 (VDE 0100-557):2014-10 “Circuiti di corrente ausiliaria”, sezione 557.3.6.1 “I circuiti di corrente ausiliaria continua o alternata senza messa a terra devono essere protetti dalle correnti di corto circuito tramite dispositivi di protezione che sezionano i cavi esterni”. Questa raccomandazione è anche presente nella norma DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2006-07, sezione 431.2.2.
Se, nei sistemi IT 3ph/N, è necessario eseguire una rilevazione di sovracorrente nel cavo N, questa deve provocare la disconnessione di tutti i cavi attivi (sezione 431.2.2). Si può rinunciare alla protezione dalle sovracorrenti se, ad es., il cavo N è messo in sicurezza contro la sovracorrente in fase di alimentazione.
Il disinserimento su tutti i poli del sistema IT viene eseguito anche i fini della disattivazione completa del sistema nel rispetto delle 5 regole di sicurezza
• A questo punto si rimanda anche alla nota, valida in generale, della norma DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430): 2010-10, sezione 433.3.3, in base alla quale è possibile rinunciare a dispositivi di protezione in caso di sovraccarico laddove un’imprevista interruzione del circuito elettrico rappresenti un pericolo. In questi casi dovrebbe essere preso in considerazione l’utilizzo di un dispositivo di segnalazione di sovraccarico.

Figura 7: spiegazione della necessità di una protezione dalle sovracorrenti su tutti i poli nei sistemi IT

Dispositivi di protezione da correnti di guasto (RCD)

Nei sistemi a tensione alternata, secondo la norma DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, sezione 411.3.3, deve essere prevista una protezione ulteriore tramite i dispositivi di protezione da correnti di guasto (RCD) per le prese < 32 A, finalizzate ad utilizzi generici e da parte di non esperti. Questo requisito, tuttavia, non soddisfa le esigenze pratiche dei sistemi IT, cosicché gli RCD nei sistemi IT non raggiungono l’efficacia protettiva desiderata. Il principio di funzionamento di un RCD richiede, dopo un primo guasto, una corrente di guasto I_d he deve essere superiore alla corrente di guasto nominale I_Δn di un RCD (ad es. > 30mA). Nella prassi, tuttavia, ciò non accade. Anche due guasti d’isolamento indipendenti su entrambi i cavi attivi o sulle apparecchiature collegate non determinano l’attivazione di un RCD, poiché entrambi i guasti agiscono come un’unica utenza.

Nell’edizione della norma DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10 viene tuttavia richiesto, a livello internazionale, una protezione ulteriore da parte di RCD I_Δn< 30 mA anche per i circuiti di corrente delle prese di sistemi IT se, in caso di primo guasto, possa fluire una corrente di guasto I_d> 15 mA. Ad un’attenta osservazione si evidenzia tuttavia la circostanza che questo requisito non sia da analizzare solo dal punto di vista tecnico:

A prescindere dalla circostanza che l’utilizzo di prese nei sistemi IT rappresentano piuttosto un’eccezione, come deve essere determinata la corrente di guasto I_d Id? La corrente I_d viene determinata fondamentalmente dalla lunghezza del cavo e dal numero delle utenze dell’impianto elettrico. Tiene in considerazione anche le correnti di dispersione dell’impianto elettrico verso terra, così come le modifiche dell’impianto causate da connessioni e disconnessioni non note. Questi valori non possono essere determinati da alcun progettista anche in presenza di una buona pianificazione.
Gli RCD che si trovano comunemente sul mercato hanno una corrente differenziale nominale I_Δn< 30 mA. L’utente non avrebbe pertanto alcuna possibilità di acquistare sul mercato un prodotto adatto. A tal proposito, la norma DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530):2018-06, sezione 538.4, specifica quanto segue: “Si consiglia, in caso di utilizzo in sistemi IT a corrente alternata, di usare dispositivi di controllo della corrente differenziale (RCM) a direzione selezionata per evitare messaggi non desiderati relativi alle correnti di dispersione allorché, presumibilmente, si determinano capacità di dispersione elevate a valle del punto di collegamento del dispositivo di controllo della corrente differenziale (RCM).” Ciò significa, in definitiva, che l’utente non disporrà né di un RCD con I_Δn< 15 mA né di un RCD che opera a direzione selezionata. A direzione selezionata significa, in questo caso, che sono riconosciute correnti di guasto solo in direzione dell’utenza.

Figura 8: due guasti d’isolamento su differenti cavi esterni a valle di un RCD

Figura 9: suddivisione delle capacità di dispersione di una rete a monte e a valle di un RCD

Figura 10: utilizzo di RCD in sistemi IT ramificati

Utilizzo di AFDD in sistemi IT

L’obiettivo primario dei sistemi IT è quello di evitare disconnessioni inaspettate in caso di primo guasto. L’utilizzo di dispositivi di protezione da arco elettrico per circuiti di corrente finale fino a 16 A in sistemi IT non è, in tal senso, appropriato. Ciò è anche oggetto dell’attuale comunicazione DKE del 3 novembre 2017, che stabilisce quanto segue:

a) la norma DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420):2016-02, sezione 421.7 non contiene alcun requisito per impianti elettrici che ricadono nel campo d'applicazione (sezione 710.1) della norma DIN VDE 0100-710 (VDE 0100-710):2012-10 “Realizzazione di impianti a bassa tensione, parte 7-710: requisiti per luoghi di lavoro, aree e impianti di tipo particolare – aree utilizzate a scopo medico”. Le aree utilizzate a scopo medico in case di accoglienza e cura per anziani, nelle quali i pazienti sono sottoposti a trattamento medico, non ricadono pertanto nel campo di applicazione della norma DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420):2016-02, sezione 421.7.

b) Si può rinunciare ai dispositivi di protezione per guasti da arco elettrico (AFDD) nel caso dei circuiti elettrici che alimentano strumenti a funzionamento elettrico nei quali un’interruzione imprevista dell’alimentazione determina un pericolo o un danno. Ciò si applica ad es.

a. per i sistemi IT che sono stati installati per il miglioramento della sicurezza dell’alimentazione o per
b. gli impianti elettrici aventi finalità di sicurezza ai sensi della norma DIN VDE 0100-560 (VDE 0100-560), in particolare nei sistemi di illuminazione di emergenza.

Ulteriori raccomandazioni e requisiti per l’installazione e la scelta del dispositivo

Scelta del dispositivo di monitoraggio dell’isolamento

Un dispositivo di monitoraggio dell’isolamento viene scelto tenendo in considerazione i seguenti criteri:

Valore della tensione nominale massima
Sistema di messa a terra AC, DC o AC/DC
Circuito di corrente principale, circuito di controllo o utilizzo speciale
Capacità di dispersione della rete
Valori di risposta
Estensione dispositivi per la ricerca di guasti d’isolamento
Condizioni ambientali speciali

Per consentire a progettisti e utenti di scegliere con più semplicità i dispositivi di monitoraggio dell’isolamento, nella specifica ad essi relativa della norma DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8):2015-12 viene inoltre stabilito quanto segue:

Presenza di un contrassegno per l’identificazione dell’utilizzo
I dispositivi di monitoraggio dell’isolamento si distinguono
- In base ai possibili componenti nel sistema IT
  - Sistemi IT AC
  - Sistemi IT DC
  - Sistemi AC/DC
- Per utilizzi particolari
  - Aree utilizzate a scopo medico
  - Fotovoltaico

Figura 11: esempi per l’identificazione di IMD

Requisiti dei dispositivi di monitoraggio dell’isolamento

Raccomandazioni importanti sulla progettazione dei sistemi IT sono contenute nella norma DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530):2018-06 “Selezione e installazione di apparecchiature elettriche - dispositivi di commutazione e di controllo”, sezione 538:

Gli IMD devono rispettare la norma DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8) (538.1.1).
I risultati delle misurazioni non possono essere influenzati da componenti di corrente continua (538.1.2).
Gli IMD devono essere collegati in modo simmetrico tra cavi esterni e terra o a un polo tra un cavo esterno qualsiasi e la terra (in alternativa anche al cavo N nei sistemi 3ph/N) (538.1.2).
Se più sistemi IT sono accoppiati tra loro, potrà esservi sempre attivo solo un IMD (538.1.2).
Gli IMD devono essere adeguati alla tensione di rete massima.
Si consiglia di utilizzare IMD che comunicano un’interruzione dei collegamenti di misurazione rispetto a cavi di rete e terra (538.1.1).
I dispositivi per la ricerca di guasti d’isolamento devono essere conformi ai requisiti della norma DIN EN 61557-9 (538.2).

Regolazione dei valori di risposta

Il valore di risposta deve essere regolato in base all’impianto interessato. Si consiglia, secondo la sezione 538.1.3, un valore di 100 Ohm/V e, per un preavviso, un valore di 300 Ohm/V. Nella precedente edizione della norma DIN VDE 0100-530:2011-06 e nella DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100):2015-10, sezione 5.3.3.101.3.3. viene raccomandato un valore indicativo di 50 Ohm/V. Entrambi gli ordini di grandezza sono in linea di principio corretti e sono influenzati dal numero delle utenze e dalla qualità dell’installazione (ad es. umidità, polvere ecc.). Nella pratica, il valore visualizzato sul display degli IMD viene utilizzato per regolare un valore d’allarme che è inferiore al valore visualizzato e che quindi rappresenta il valore minimo desiderato, lasciando un sufficiente margine di manovra per attività di assistenza e manutenzione. Occorre inoltre osservare, a tal proposito, che anche tutte le uscite importanti dell’impianto siano funzionanti.

Un vantaggio, tuttavia, è rappresentato anche dal fatto che le modifiche sostanziali della resistenza d’isolamento in caso di connessione o disconnessione di un’utenza o componente dell’impianto sono visualizzate dall’IMD e, in questo modo, si rendono riconoscibili possibili punti deboli.

Monitoraggio di utenze disconnesse

Ai sensi della sezione 538.3, un dispositivo di monitoraggio dell’isolamento può, essere utilizzato nei sistemi TN, TT e IT per il controllo delle utenze o di impianti scollegati. Vi fanno parte, ad esempio, argani a motore, ascensori, attuatori. Il presupposto è una separazione su tutti i poli del circuito elettrico monitorato dalla rete.

Figura 12: monitoraggio offline di un motore, ad es. di una gru

Comportamento in caso di secondo guasto d’isolamento

Ai sensi della norma DIN VDE 0100-410:2018-10, sezione 411.6.4, nel caso in sui si verifichi un primo guasto devono essere soddisfatte le condizioni per il disinserimento in caso di secondo guasto che si possa verificare su un altro cavo. Ciò significa, nella prassi, che deve essere rispettata una certa impedenza di loop. Per i sistemi IT senza cavo neutro

Z_S ≤ U/(2 × I_a )

U = tensione alternata nominale tra i cavi esterni
I_a = corrente che determina l’attivazione del dispositivo di protezione entro il periodo previsto dalle sezioni 411.3.2.2 / 411.3.2.3.

Se, per motivi di disponibilità, non è consentita la disconnessione in caso di primo guasto, utilizzando gli RCD occorre verificare che la corrente di guasto disponibile I_{d sia} < 0,4 I_Δn. Per 30 mA RCD ciò significa I_d< 12 mA.

A tal proposito occorre osservare che guasti simmetrici su differenti cavi esterni non producono alcuna corrente di guasto che porta alla disconnessione.

Se le condizioni di disconnessione per la protezione dalle sovracorrenti non possono essere soddisfatte, ad es.

l’impedenza di loop non può essere determinata esattamente (lunghezza dei cavi difficile da valutare, materiali metallici vicino ai cavi),
la corrente di guasto è così bassa che il periodo di interruzione massimo consentito in caso di utilizzo di dispositivi di protezione dalle sovracorrenti non può essere rispettato,
se la resistenza di loop ha un’impedenza eccessiva per assicurare la disattivazione automatica

e non è possibile un collegamento equipotenziale ulteriore, può essere utilizzato un RCD per ciascun singolo strumento

Figura 13: secondo guasto nel sistema IT

Cavo N in sistemi IT trifase

La norma DIN VDE 0100-410:2018-10, sezione 431.2.2 contiene l’indicazione che nei sistemi IT viene raccomandato di non inserire il cavo N. Di ciò occorre tenere conto se in un sistema IT 3ph/N viene collegata anche un’utenza monofase. In caso di guasto d’isolamento in L1, la tensione nel cavo L2/L3 verso terra viene aumentata fino alla tensione collegata, ad es. 400 V. In questo modo possono essere danneggiati condensatori antidisturbo che sono attivati verso terra. Occorre fare attenzione, in questi casi, che lo spostamento di tensione riguardi solamente la tensione a terra. Non si verifica alcuno spostamento di tensione tra i cavi attivi. Le apparecchiature monofase devono essere concepite in modo adeguato, ossia essere adatte a far funzionare i sistemi 3ph/N. Nella pratica vengono spesso installati due sistemi IT separati, per l’utenza 1ph e 3ph.

A questo punto si rimanda anche alla nota, valida in generale, della norma DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10, sezione 433.3.3, in base alla quale è possibile rinunciare a dispositivi di protezione in caso di sovraccarico laddove un’imprevista interruzione del circuito elettrico rappresenti un pericolo. In questi casi dovrebbe essere preso in considerazione l’utilizzo di un dispositivo di segnalazione di sovraccarico.

Riepilogo

L’utilizzo di sistemi IT è sempre vantaggioso se un primo guasto non deve causare l’interruzione dell’alimentazione elettrica. Base essenziale per un funzionamento senza problemi e sicuro sono la strutturazione secondo le norme e la scelta corretta dei dispositivi di protezione e monitoraggio.