Introduzione
La sicurezza elettrica negli impianti industriali e commerciali non riguarda la scelta tra i metodi di protezione, ma la comprensione di come essi collaborano. Molti responsabili di stabilimento e appaltatori si trovano di fronte a una domanda comune: “Questi dispositivi non fanno la stessa cosa?”. La risposta rivela una verità fondamentale sulla protezione elettrica.
La messa a terra, il GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) o RCD (Residual Current Device) e i dispositivi di protezione contro le sovratensioni affrontano ciascuno diverse modalità di guasto nel vostro sistema elettrico. Non sono ridondanti; sono livelli complementari che proteggono da diverse minacce. Un sistema adeguatamente messo a terra non salverà le vostre apparecchiature dai picchi di tensione indotti dai fulmini. Un limitatore di sovratensione non impedirà a qualcuno di essere fulminato da un guasto a terra. E un RCD non può stabilizzare la tensione durante il normale funzionamento.
Questa guida analizza nel dettaglio ciascun pilastro della protezione, spiega da cosa protegge (e da cosa no) e mostra come specificare un sistema di sicurezza completo che soddisfi gli standard IEC e NEC proteggendo sia il personale che le apparecchiature.
Pilastro 1: Sistemi di messa a terra
Cosa fa la messa a terra
La messa a terra crea una connessione deliberata a bassa impedenza tra il vostro sistema elettrico e la terra. Pensatela come le fondamenta della sicurezza elettrica: senza di essa, gli altri due pilastri non possono funzionare correttamente.
Il sistema di messa a terra collega tutte le parti metalliche non attraversate da corrente del vostro impianto - involucri delle apparecchiature, canalizzazioni e metallo strutturale - a un elettrodo di messa a terra interrato nel terreno. Questo fornisce un percorso sicuro per la corrente di guasto.
Come protegge la messa a terra
Sicurezza del personale: Quando un guasto eccita gli involucri delle apparecchiature (un filo allentato tocca l'involucro metallico), il conduttore di terra fornisce un percorso a bassa resistenza verso terra. Questo previene pericolose tensioni di contatto e garantisce un rapido flusso di corrente di guasto per far scattare i dispositivi di protezione da sovracorrente.
Prevenzione incendi: Canalizzando le correnti di guasto in modo sicuro, la messa a terra previene il surriscaldamento dei fili e gli archi elettrici che possono innescare incendi. L'elevata corrente di guasto fa scattare gli interruttori automatici o i fusibili, isolando il problema.
Stabilizzazione della tensione: La messa a terra stabilisce un punto di riferimento per il vostro sistema elettrico, mantenendo una tensione stabile durante il normale funzionamento. Questo è fondamentale per le apparecchiature di controllo industriale sensibili.
Protezione da sovratensione: I fulmini e le sovratensioni della linea elettrica hanno bisogno di un percorso verso terra. La messa a terra fornisce questo percorso, anche se richiede il coordinamento con i dispositivi di protezione contro le sovratensioni per una protezione completa.
Requisiti IEC 60364 e NEC Articolo 250
Gli standard internazionali classificano i sistemi di messa a terra in base a come la sorgente e l'installazione sono collegate a terra:
| Tipo di sistema | Connessione alla sorgente | Connessione delle parti esposte | Applicazioni comuni |
|---|---|---|---|
| TN-S | Neutro direttamente collegato a terra | Collegato tramite conduttore PE separato | Più comune nei nuovi impianti industriali |
| TN-CS | Conduttore PEN combinato, separato in seguito | Collegato a PEN, poi PE separato | Configurazioni dell'ingresso di servizio dell'edificio |
| TT | Sorgente collegata a terra | Elettrodo di terra locale indipendente | Richiesto dove la messa a terra dell'utenza non è disponibile; necessita di RCD |
| IT | Terra isolata o ad alta impedenza | Connessione di terra locale | Ospedali, processi critici che richiedono continuità |
L'articolo 250 del NEC impone la messa a terra per i sistemi superiori a 50V. I requisiti principali includono:
- Sistema di elettrodi di messa a terra: I tubi dell'acqua metallici, l'acciaio da costruzione, gli elettrodi incapsulati nel calcestruzzo (terra Ufer) e i picchetti di terra devono essere collegati tra loro
- Conduttori di messa a terra delle apparecchiature (EGC): Richiesto in tutti i circuiti, dimensionato secondo la Tabella 250.122 in base alla corrente nominale del dispositivo di protezione da sovracorrente
- Percorso efficace della corrente di guasto a terra: Deve essere permanente, continuo e a bassa impedenza. La terra da sola non è un percorso efficace per la corrente di guasto a terra.
Cosa non può fare la messa a terra
Non rileva le dispersioni di corrente: Una persona che tocca un conduttore sotto tensione mentre si trova su una superficie isolata non sarà protetta: non c'è un percorso verso terra che il sistema di messa a terra possa rilevare. È qui che gli RCD sono essenziali.
Non limita le sovratensioni transitorie: Sebbene la messa a terra fornisca un percorso per la corrente di sovratensione, non blocca la tensione a livelli di sicurezza. Per questo sono necessari gli SPD.
Non previene tutti gli shock: Se si entra in contatto contemporaneamente con la fase e il neutro, la corrente non fluisce attraverso la terra, quindi il sistema vede una corrente bilanciata e non scatta.
Pilastro 2: Protezione GFCI/RCD
Cosa fanno gli RCD
I dispositivi a corrente differenziale (RCD) - chiamati Interruttori di circuito per guasto a terra (GFCI) in Nord America - sono dispositivi salvavita progettati specificamente per proteggere le persone dalle scosse elettriche. Monitorano il bilanciamento della corrente e reagiscono in millisecondi a pericolose dispersioni.
A differenza della messa a terra, che fornisce un percorso di guasto passivo, gli RCD monitorano attivamente il circuito e scattano nel momento in cui rilevano una corrente che fluisce attraverso un percorso non intenzionale, come il corpo di una persona.
Come funzionano gli RCD
Un RCD utilizza un trasformatore di corrente differenziale (trasformatore a nucleo bilanciato) con i conduttori di fase e neutro che lo attraversano. In condizioni di normale funzionamento, la corrente che esce attraverso il conduttore di fase è uguale alla corrente che ritorna attraverso il neutro. I campi magnetici si annullano a vicenda.
Quando si verifica un guasto a terra - qualcuno tocca una parte sotto tensione o l'isolamento cede - la corrente si disperde a terra. Questo crea uno squilibrio. La bobina di rilevamento rileva questa differenza, induce una corrente nell'avvolgimento secondario e fa scattare il meccanismo del relè. L'intero processo richiede 10-30 millisecondi.
Sensibilità e tempo di risposta
La norma IEC 61008 definisce la sensibilità degli RCD in base alla corrente differenziale nominale di intervento (IΔn):
| Classe di sensibilità | Valore nominale IΔn | Applicazione Tipica | Tempo di inciampo |
|---|---|---|---|
| Alta sensibilità | 5 mA, 10 mA, 30 mA | Protezione delle persone, protezione aggiuntiva contro il contatto diretto | 10-30 ms tipici; 300 ms massimo |
| Media sensibilità | 100 mA, 300 mA, 500 mA, 1000 mA | Protezione antincendio in installazioni industriali | Secondo la curva tempo-corrente IEC 61008 |
| Bassa sensibilità | 3 A, 10 A, 30 A | Protezione macchinari, isolamento delle apparecchiature | Specifica per l'applicazione |
Per la protezione delle persone, 30 mA è lo standard. Questa soglia è sufficientemente bassa per prevenire la fibrillazione ventricolare negli adulti sani, pur essendo sufficientemente alta per evitare interventi intempestivi dovuti a normali dispersioni in grandi installazioni.
Tipi di RCD secondo IEC 61008/61009
Tipo AC: Rileva solo correnti differenziali alternate sinusoidali. Adatto per carichi resistivi come riscaldamento e illuminazione.
Tipo A: Rileva sia correnti differenziali alternate che continue pulsanti. Richiesto per l'elettronica moderna, gli azionamenti a velocità variabile e i carichi basati su raddrizzatori che possono produrre componenti di guasto in corrente continua.
Tipo B: Rileva correnti differenziali alternate, continue pulsanti e continue lisce. Obbligatorio per le stazioni di ricarica EV, gli inverter solari e i convertitori di frequenza industriali secondo IEC 61851 e IEC 62196.
Tipo F: Tipo A migliorato con immunità alle interferenze ad alta frequenza. Utilizzato per apparecchiature IT e centri di controllo motori.
Cosa non possono fare gli RCD
Nessuna protezione per il contatto linea-linea: Se qualcuno tocca contemporaneamente sia il conduttore di fase che quello neutro, l'RCD vede una corrente bilanciata e non interviene. La corrente non si disperde a terra.
Nessuna protezione da sovracorrente: Gli RCD non proteggono da sovraccarichi o cortocircuiti. Devono essere installati a valle di MCB o MCCB, oppure utilizzare RCBO (dispositivi combinati).
Nessuna protezione contro le sovratensioni: Gli RCD rilevano lo squilibrio di corrente, non i picchi di tensione. Una sovratensione da fulmine può danneggiare le apparecchiature anche con la protezione RCD.
Richiede un'alimentazione funzionante: Gli RCD standard necessitano della tensione di linea per azionare il meccanismo di intervento. Esistono tipi indipendenti dalla tensione per applicazioni critiche.
Pilastro 3: Dispositivi di protezione contro le sovratensioni
Cosa fanno gli SPD
I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) proteggono le apparecchiature dalle sovratensioni transitorie, picchi di tensione brevi ma distruttivi causati da fulmini, commutazioni di utenze o variazioni di carico. Queste sovratensioni possono raggiungere migliaia di volt e distruggere l'elettronica sensibile in microsecondi.
Gli SPD rilevano la tensione in eccesso e la deviano al sistema di messa a terra, bloccando la tensione a un livello di sicurezza. Questo è il motivo per cui una corretta messa a terra è essenziale: senza un percorso a bassa impedenza verso terra, l'SPD non ha dove inviare l'energia della sovratensione.
Come funzionano gli SPD
Gli SPD utilizzano tre tecnologie principali:
Varistori a ossido metallico (MOV): Dispositivi a semiconduttore con resistenza dipendente dalla tensione. A tensione normale, sono essenzialmente aperti. Quando la tensione supera la soglia, la resistenza diminuisce drasticamente, deviando la sovratensione a terra. Tempo di risposta: <25 nanosecondi.
Tubi a scarica di gas (GDT): Tubi ceramici riempiti di gas che si ionizzano e conducono ad alta tensione. Gestiscono enormi correnti di sovratensione ma hanno una risposta più lenta (microsecondi) e una tensione di bloccaggio più alta. Spesso utilizzati nella protezione delle telecomunicazioni.
Diodi di soppressione (SAD/TVS): Dispositivi a semiconduttore ad azione rapida per la protezione di precisione a bassa tensione. Comuni nelle linee dati e nei circuiti di controllo sensibili.
Gli SPD industriali spesso combinano tecnologie: GDT per scariche ad alta energia, MOV per sovratensioni medie e diodi per il bloccaggio finale.
Classificazione IEC 61643
La norma IEC 61643-11 definisce tre tipi di SPD per la protezione coordinata:
| Tipo di SPD | Posizione di installazione | Forma d'onda di prova | Corrente impulsiva (Iimp) | Scarica nominale (In) | Livello di protezione della tensione (Up) | Scopo |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipo 1 (Classe I) | Ingresso di servizio principale, a monte dell'interruttore principale | 10/350 µs | 10-200 kA | — | 1,5-2,0 kV | Protezione diretta contro i fulmini |
| Tipo 2 (Classe II) | Quadri di distribuzione, sottoquadri | 8/20 µs | — | 10-60 kA | ≤1,6-2,0 kV | Fulmini indiretti, sovratensioni di commutazione |
| Tipo 3 (Classe III) | Punto d'uso, vicino all'apparecchiatura | 1,2/50 µs (Uoc) + 8/20 µs (In) | — | <5 kA | 1,0-1,5 kV | Protezione finale per apparecchiature sensibili |
L'installazione coordinata è fondamentale. Il tipo 1 gestisce l'enorme energia proveniente da fulmini diretti. Il tipo 2 protegge dalle sovratensioni che penetrano oltre l'ingresso di servizio. Il tipo 3 fornisce il bloccaggio finale per i carichi sensibili.
Specifiche principali
Livello di protezione della tensione (Up): La tensione massima che l'SPD consente di far passare. Deve essere inferiore alla tensione di tenuta all'impulso dell'apparecchiatura. Per sistemi a 230 V con apparecchiature classificate per una tensione di tenuta all'impulso di 2,5 kV, specificare SPD con Up ≤ 2,0 kV.
Corrente di scarica nominale (In, 8/20 µs): La corrente che l'SPD può gestire ripetutamente. Le applicazioni industriali richiedono in genere 20-40 kA per i dispositivi di tipo 2.
Corrente di scarica massima (Imax): La corrente di picco per un singolo evento di sovratensione. Importante per installazioni ad alta esposizione.
Il Tempo Di Risposta: Gli SPD basati su MOV reagiscono in nanosecondi, sufficientemente veloci per la maggior parte delle minacce. I dispositivi basati su GDT impiegano microsecondi ma gestiscono energie più elevate.
Requisiti per l'installazione
Secondo IEC 61643-11:
- Lunghezza del cavo <0,5 metri: Cavi lunghi creano induttanza, aumentando l'Up effettivo e annullando la protezione
- Protezione di backup contro le sovracorrenti: Fusibili o interruttori automatici proteggono contro il guasto dell'SPD
- Messa a terra adeguata: L'efficacia dell'SPD dipende interamente dall'impedenza del sistema di messa a terra
- Coordinamento tra i tipi: Gli SPD di tipo 1 e di tipo 2 necessitano di una separazione minima del cavo di 10 metri o di un'induttanza di disaccoppiamento
Cosa non possono fare gli SPD
Nessuna protezione contro le scosse elettriche al personale: Gli SPD proteggono le apparecchiature dalla sovratensione, non le persone dalle scosse elettriche. Non scatteranno se qualcuno tocca un conduttore sotto tensione.
Nessuna protezione senza messa a terra: Un SPD devia la corrente di surge a terra. Se il tuo sistema di messa a terra ha un'impedenza elevata o è scollegato, l'SPD è inutile.
Nessuna protezione contro la sovratensione prolungata: Gli SPD gestiscono i transienti che durano da microsecondi a millisecondi. Non possono proteggere contro la sovratensione di lunga durata dovuta a problemi di rete: per questo sono necessari relè di sovra/sottotensione.
Durata di vita finita: Gli SPD si degradano con ogni surge. La maggior parte include indicatori visivi o contatti remoti per segnalare la fine della vita utile.
Tabella di confronto
| Funzionalità di protezione | Sistema di messa a terra | GFCI/RCD | Dispositivo di protezione contro le sovratensioni (SPD) |
|---|---|---|---|
| Scopo primario | Percorso della corrente di guasto, riferimento di tensione | Protezione contro le scosse elettriche al personale | Protezione delle apparecchiature dai transienti |
| Contro cosa protegge | Guasti alle apparecchiature, incendi, consente il funzionamento del dispositivo di protezione dalle sovracorrenti | Scosse elettriche da guasti a terra (perdite di 4-30 mA) | Fulmini, surge di commutazione, picchi di tensione |
| Contro cosa NON protegge | Perdite di corrente <soglia dell'interruttore automatico, picchi di tensione, scosse linea-linea | Sovraccarico, cortocircuito, surge di tensione, contatto linea-linea | Pericoli di scossa, sovracorrente, sovratensione prolungata |
| Il Tempo Di Risposta | Istantaneo (percorso sempre presente) | 10-30 ms tipici, 300 ms max | <25 ns (MOV), 1-5 µs (GDT) |
| Soglia di attivazione | N/A (conduttore passivo) | Da 5 mA a 30 A (dipende dalla corrente nominale) | Supera la tensione nominale (ad esempio, >350 V per un sistema a 230 V) |
| Standard chiave | IEC 60364, NEC Article 250 | IEC 61008/61009, NEC 210.8 | IEC 61643-11, UL 1449 |
| Posizione di installazione | In tutto il sistema: servizio, quadri, apparecchiature | Quadri di distribuzione, circuiti con rischio di scossa (aree umide, apparecchiature) | Ingresso di servizio (Tipo 1), quadri (Tipo 2), apparecchiature (Tipo 3) |
| Richiede altra protezione | No, ma consente ad altri di funzionare | Sì — necessita di MCB/MCCB a monte | Sì — richiede messa a terra e fusibile/interruttore automatico di backup |
| Valori nominali industriali tipici | Resistenza dell'elettrodo <1 Ω; EGC secondo NEC Table 250.122 | 30 mA (personale), 100-300 mA (incendio), Tipo A/B per uso industriale | Tipo 2: 20-40 kA In; Up ≤2,0 kV |
| Manutenzione | Test periodico della resistenza | Pulsante di test mensile, test di intervento annuale | Controllo visivo dell'indicatore, sostituzione dopo un surge importante |
| Modalità di Guasto | Corrosione graduale; rilevabile tramite test | A prova di guasto (la maggior parte interviene in caso di guasto); testare trimestralmente | Degradazione dopo i surge; monitorare l'indicatore |
| Considerazione dei costi | Moderato; costo di progettazione/installazione | Basso-moderato per dispositivo | Moderato (Tipo 2) ad alto (Tipo 1) |
| Requisiti del codice | Obbligatorio secondo NEC/IEC per tutti i sistemi >50V | Obbligatorio per luoghi umidi/esterni, macchinari secondo IEC 60204 | Raccomandato per apparecchiature critiche; obbligatorio per aree soggette a fulmini |
Sezione FAQ
D: Posso evitare la messa a terra se ho interruttori differenziali (RCD) e scaricatori di sovratensione?
No. La messa a terra è il fondamento. Gli RCD rilevano lo squilibrio di corrente confrontando fase e neutro: necessitano di un riferimento di terra per funzionare. I limitatori di sovratensione deviano la tensione in eccesso verso terra; senza un sistema di messa a terra adeguato, non hanno dove inviare l'energia. Tutti e tre lavorano insieme.
D: Uno scaricatore di sovratensione previene le scosse elettriche?
No. Gli scaricatori di sovratensione proteggono le apparecchiature dai danni causati dai picchi di tensione, non la sicurezza del personale. Se qualcuno tocca un conduttore sotto tensione, lo scaricatore di sovratensione non reagirà perché non c'è un picco di tensione, ma solo una corrente normale che prende un percorso non intenzionale attraverso una persona. Questo è ciò che prevengono gli RCD.
D: Ho bisogno di RCD di tipo B per tutte le installazioni industriali?
Non tutti, ma sempre più comuni. Gli interruttori differenziali di Tipo B sono obbligatori per i carichi che possono produrre correnti di guasto in corrente continua: caricabatterie per veicoli elettrici, inverter solari, azionamenti a frequenza variabile e sistemi di frenatura rigenerativa. Per i carichi resistivi e induttivi standard, il Tipo A è sufficiente. Consultare la norma IEC 60204-1 per i requisiti relativi ai macchinari.
D: Come faccio a sapere quando usare SPD di tipo 1 rispetto a SPD di tipo 2?
La posizione di installazione è determinante. Il Tipo 1 va installato all'ingresso principale dell'impianto se si dispone di protezione esterna contro i fulmini o ci si trova in un'area ad alta esposizione. Il Tipo 2 si installa nei quadri di distribuzione e nei sottoquadri: questo è il tipo di SPD industriale più comune. Utilizzare entrambi in una protezione coordinata per una copertura completa.
D: Gli RCD possono causare scatti intempestivi in grandi installazioni?
Sì, se la sensibilità è troppo alta. Le grandi installazioni hanno una corrente di dispersione cumulativa dovuta alla capacità del cavo e ai circuiti di filtro. Per un quadro industriale da 400A, specificare RCD da 300 mA per la protezione antincendio piuttosto che da 30 mA. Utilizzare 30 mA solo per i circuiti finali con rischio di contatto diretto con il personale. Gli RCD di tipo S a intervento ritardato prevengono gli scatti intempestivi dovuti a dispersioni transitorie.
D: Qual è la differenza tra messa a terra e collegamento equipotenziale?
La messa a terra collega il sistema elettrico alla terra. L'equipotenzialità collega tutte le parti metalliche non attraversate da corrente (involucri, canalizzazioni, acciaio strutturale) per eliminare pericolose differenze di potenziale. Entrambe sono necessarie. L'articolo 250 del NEC tratta entrambi gli aspetti; la norma IEC 60364-5-54 tratta specificamente l'equipotenzialità.
Conclusione
La sicurezza elettrica non è un singolo dispositivo o requisito normativo: è un sistema in cui la messa a terra, la protezione GFCI/RCD e la protezione contro le sovratensioni funzionano come livelli complementari. Ciascuno affronta specifiche modalità di guasto che gli altri non possono prevenire.
La messa a terra fornisce le fondamenta: un percorso di corrente di guasto, un riferimento di tensione e l'infrastruttura essenziale per il funzionamento di altri dispositivi di protezione. Gli RCD salvano vite rilevando le dispersioni di corrente in millisecondi, proteggendo il personale dai rischi di scossa che la sola messa a terra non può prevenire. Gli scaricatori di sovratensione proteggono gli investimenti in apparecchiature da sovratensioni transitorie che altrimenti distruggerebbero l'elettronica sensibile.
Quando si specifica la protezione elettrica per installazioni industriali o commerciali, la domanda non è “quale?”, ma “come integro tutti e tre?”. Progettare per una protezione coordinata: messa a terra corretta secondo NEC Article 250 o IEC 60364, RCD sui circuiti con rischio di scossa secondo IEC 61008/61009 e coordinamento SPD multistadio secondo IEC 61643-11.
In VIOX Electric, produciamo RCD di livello industriale, dispositivi di protezione contro le sovratensioni e soluzioni di protezione complete progettate per funzionare insieme. Il nostro team tecnico può aiutarti a specificare la giusta combinazione per la tua applicazione, garantendo la conformità agli standard internazionali proteggendo al contempo sia il personale che le apparecchiature.
