IL CORTO CIRCUITO ELETTRICO

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Gli incendi di apparecchiature elettriche sono spesso provocati dal corto circuito.
La conoscenza dei fenomeni che ne sono alla base per prevenire gli effetti dannosi.
Prof. Ing. Umberto Ratti – Professore Ordinario di Elettrotecnica
presso la Facoltà d’Ingegneria dell’Università “La Sapienza” di Roma

Le esplosioni e gli incendi di
apparecchiature elettriche sono
incidenti provocati da guasti di ti –
po evolutivo, spesso prevedibili,
che non possono escludersi to –
talmente nemmeno nel caso di
applicazione integrale delle at –
tuali norme.
L’intento di ridurre la pesante
incidenza di incendi ed esplosio –
ni provocati da corti circuiti può
essere ragionevolmente perse –
guito mediante una migliore co –
noscenza dei fenomeni in gioco
nelle apparecchiature elettriche:
è il caso di due fenomeni mate –
rialmente separati l’uno dall’altro,
l’energia transitoria passante e
la memoria dinamica, della cui
combinata azione è bene essere
consci per prevenire incaute
operazioni ”alla cieca“, come può
accadere, ad esempio, in occa –
sione di scavi ovvero di richiusu –
re di linee elettriche.
Introduzione
Lo scopo di questo articolo è di
fornire un contributo alla riduzione
degli incendi ed esplosioni
causati da corti circuiti elettrici,
mediante una migliore conoscenza
dei fenomeni elettrotecnici (ed
in particolare l’energia transitoria
passante e la memoria dinamica
delle apparecchiature elettriche)
associati al corto circuito, al quale,
come ben noto, sono riconducibili
molti effetti calamitosi.
Lo spunto è stato fornito da un
incendio di grandi proporzioni verificatosi
concretamente in Italia
presso una cabina primaria di distribuzione,
con danni alle cose
per vari miliardi di lire, in uno
scenario niente affatto originale:
in un normale giorno lavorativo
una ruspa addetta a lavori stradali
di manutenzione trancia un
cavo elettrico MT sotterraneo in
esercizio, causando un corto circuito
franco.
Ciò che invece è alquanto originale
(nel quadro dei numerosi
cavi elettrici ”ruspati“ quotidianamente)
è che la fornitura di energia
elettrica si è interrotta (black
out), in quanto, pur essendo installate
tutte le protezioni prescritte,
numerose importanti apparecchiature
elettriche in cabina
sono rimaste danneggiate
dall’energia elettrica passante,
perché era divampato un rogo
protrattosi per molte ore, nonostante
gli interventi di numerose
squadre dei Vigili del fuoco.
Il caso preso in esame costituisce
un insegnamento valido non
solo per impianti elettrici di considerevole
potenza ed estensione,
ma anche per quelli di minore
consistenza e perfino per quelli
domestici.
Si tratta di un caso emblematico
che, benché insolito nelle
conclusioni, ma non nelle cause
iniziali, deve insegnare quali sono
tutte le conseguenze, anche
quelle rilevabili non immediatamente,
dell’energia transitoria
passante, e quindi può essere
utile:
– sia a prevenire ogni possibile
causa di corto circuito, abbandonando
l’errata convinzione che
”tanto ci sono le protezioni“ che,
con il loro intervento, garantiscono
sempre e totalmente da ogni
conseguenza negativa;
– sia a sensibilizzare sul fatto
gravissimo che anche i corti circuiti
che si concludono, per l’intervento
delle protezioni senza
incendi ed esplosioni immediate,
sono essi stessi suscettibili di recare
danni che, pur non essendo
immediatamente e direttamente
accertabili, tuttavia sono in grado
di provocare un’accelerazione
nella riduzione della vita utile delle
apparecchiature elettriche e
quindi, in definitiva, anche una
loro possibile futura esplosione e
incendio.
Ciò significa che ancora oggi
occorre affrontare i fenomeni
connessi al corto circuito non in
maniera scontata, ma avvalendosi
di ogni aggiornata risorsa
fornita dalla dottrina e con ogni
utile approfondimento tecnico.

IL CORTO CIRCUITO
E L E T T R I C O
Gli incendi di apparecchiature elettriche sono spesso provocati dal corto circuito.
La conoscenza dei fenomeni che ne sono alla base per prevenire gli effetti dannosi.
Prof. Ing. Umberto Ratti – Professore Ordinario di Elettrotecnica
presso la Facoltà d’Ingegneria dell’Università “La Sapienza” di Roma
Il corto circuito elettrico
Fin dai primordi delle applicazioni
industriali, l’elettrotecnica si
è occupata delle conseguenze
del cosiddetto corto circuito franco
di impedenza nulla, in breve il
temutissimo ”corto circuito“, vale
a dire quella condizione di funzionamento
in cui la tensione
crolla localmente a zero, a partire
dal valore di normale esercizio,
e la corrente assume valori
abnormi.
Come è noto, viene detta corrente
di corto circuito quella circolante
nelle omonime condizioni,
distinguibile nelle due componenti
a regime permanente e in
regime transitorio.
L’ampiezza della corrente di
corto circuito permanente, variabile
in funzione dell’istante in cui
viene considerata e dell’istante di
cortocircuitazione, dipende da
numerosi fattori, come nel caso
di linea elettrica collegata ad una
rete di media tensione di grande
potenza attraverso un trasformatore,
la lunghezza e potenza della
linea, la potenza del nodo di
alimentazione, ecc.
In condizioni particolarmente
”sfavorevoli“ di linea corta, di piccola
potenza e alimentata da un
nodo di grande potenza, la corrente
di corto circuito permanente
può risultare anche oltre 100
volte superiore a quella di carico
normale.
Di fatto si ha che la tensione
di alimentazione della linea in
corto circuito non viene mantenuta
indefinitamente, proprio perché
si ha l’intervento delle protezioni.
Anche la componente transitoria
della corrente di corto circuito
dipende, tra l’altro, dall’istante di
cortocicuitazione, e la situazione
più gravosa è quella in cui tale
istante coincide con quello di
tensione nulla: si tratta del noto
” e ffetto di raddoppio“, cosiddetto
in quanto si raddoppia il valore
della corrente.
Poiché l’elettrodinamica insegna
che gli sforzi meccanici provocati
dal passaggio della corrente
sono proporzionali al quadrato
del valore della corrente
stessa, è facile calcolare che tali
sforzi, nel caso sfavorevole di
” e ffetto di raddoppio“, possono
arrivare ad essere (Stigant &
Franklin, Transformer Book, pag.
536) circa 1600 volte superiori a
quelli nelle normali condizioni di
funzionamento.
Ciò ha portato da tempo gli ingegneri
elettromeccanici a concludere
che il fenomeno maggiormente
temibile per il trasformatore
in caso di corto circuito di
linea è proprio quello degli enormi
sforzi meccanici radiali e assiali
ai quali devono fare fronte le
strutture elettriche e meccaniche
del trasformatore stesso, e nonostante
le innumerevoli soluzioni
progettuali attuate, restano ancora
da registrare taluni casi di distruzione
di trasformatori da sforzi
meccanici.
Si deve qui sottolineare che, in
generale, le apparecchiature
elettriche offrono una capacità di
resistenza ad un guasto singolo
che è di gran lunga superiore a
quella offerta ad una serie o ”treni“
di guasti: il progressivo indebolimento
che si presenta nella
apparecchiatura fa sì che di due
guasti uguali, quello che avviene
per secondo causa un danno
maggiore del primo (non distruttivo),
e ciò viene normalmente attribuito
alla ”memoria dinamica“
della apparecchiatura elettrica (la
letteratura tecnica anglosassone
stabilisce che tali macchine non
sono ”memory-less“).
Ciò ha anche portato come diretta
conseguenza ad estendere,
molto opportunamente, il semplice
concetto di ”resistenza
meccanica al corto circuito“ a
quello più complesso (oggetto di
recenti ricerche) di ”durata della
vita tecnica“, in particolare sotto
corto circuito.
La moderna tecnica, introdotto
in generale il concetto della ”durata
della vita utile“ (working life),
o semplicemente ”vita“ delle apparecchiature
in genere, ha formulato
teorie, leggi (per esempio
la legge della potenza inversa
”inverse power law“), equazioni
fondamentali dell’invecchiamento
e modelli (per esempio, il modello
di Eyring), essenzialmente stabilendo
che la vita delle apparecchiature
elettriche dipende fortemente
dalla vita del suo isolamento.
Questa dipende fortemente
dal tipo e ampiezza delle
tensioni e temperature a cui è
sottoposto, le cause dell’invecchiamento,
che a loro volta sono
molteplici e di varia natura, dipendendo
sia da guasti, sia da
normali operazioni di manovra
(inclusi anche i cicli di sovraccarico
affrontati).
In conclusione sul punto, le numerose
variabili in gioco (istante
di cortocircuitazione, impedenza
di corto circuito, numero delle fasi/terra
cortocircuitate, potenza in
gioco, condizioni del sistema
elettrico, ecc.) comportano che
ogni corto circuito è diverso
dall’altro: anche a parità di siste
ma elettrico linea – protezioni –
apparecchiatura si possono avere
diverse correnti di corto circuito,
e quindi conseguentemente si
hanno sempre eventi dannosi,
ma di diversa entità.
Ciò spiega convincentemente
perché, in concomitanza ad
esempio di tranciamento di cavi
ovvero manovre di richiusura,
non si ha sempre la stessa conseguenza
dell’evento dannoso,
potendo talvolta l’intervento delle
protezioni spesso contenerla a
danni non immediatamente rilevabili
a vista, ma potendosi anche
avere in taluni casi, nonostante
il loro intervento, conseguenze
catastrofiche.
L’onda di corrente
di corto circuito
E’ ben noto che i fenomeni
elettrici nel vuoto si ”propagano“
alla velocità del suono di
300.000 Km/sec. Meno noto è
che:
– tale velocità non può essere
superata dalle correnti elettriche
nei conduttori: in questi ultimi,
con riferimento al caso qui in
esame di un cavo, la rispettiva
velocità di propagazione è
dell’ordine di circa 150.000
Km/sec;
– che al crearsi di una situazione
di corto circuito, due onde migranti
di tensione e corrente iniziano
la loro propagazione lungo
il conduttore (linea aerea o cavo),
e ad esse è associata una
consistente energia viaggiante
(travelling);
– che tale energia è solo in piccola
parte dissipata lungo il percorso,
sicché può produrre danni
considerevoli alle apparecchiature
elettriche investite, che quindi
da un lato sono già in fase di
progetto sovradimensionate per
fare fronte alle sollecitazioni
massime prevedibili, dall’altro in
fase di installazione sono protette
da protezioni ”ad hoc“.
La teoria delle onde viaggianti
ha completamente spiegato, con
i fondamentali contributi di R.
Rudenberg e C.P. Steinmetz la
complessa fenomenologia che si
verifica per il caso delle onde di
tensione/correnti migranti, che
riescono a raggiungere e quindi
”colpiscono“ l’apparecchiatura in
testa linea (ad esempio, gli avvolgimenti
di trasformatori di linea).
In sintesi:
– le onde incidenti, attenuate e
distorte nel percorrere il tratto tra
la loro origine e il trasformatore,
giunte al punto di entrata del trasformatore
penetrano all’interno
solo per la parte relativa alle frequenze
inferiori alla cosiddetta
”frequenza critica“ degli avvolgimenti
trifase dell’avvolgimento
(che viene quindi da loro percorso
ad una velocità di circa 160
metri al microsecondo), mentre
la parte a frequenze ipercritiche
viene riflessa sulla linea: di qui la
riscontrata e tipica fenomenologia
delle oscillazioni che causa
frequenti sovratensioni;
– le onde di corrente e tensione
impulsive (”step impulse“) che
penetrano all’interno dell’avvolgimento,
anche se in parte limitate
dagli effetti magnetici, sono molto
pericolose per le spire d’ingresso,
e – come già espresso in
precedenza – per fare fronte a
queste sollecitazioni è buona
norma, come prima protezione di
tipo cosiddetto ”passivo“, rinforzare
le prime spire d’avvolgimento
del 10% circa;
– le onde di corrente e tensione
impulsive a treni (”periodic impulse
trains“) penetrano facilmente
e con modesta attenuazione
all’interno dell’avvolgimento, e se
l’isolamento delle spire intermedie
a mezza lunghezza d’onda
del treno periodico è al di sotto
della rigidità dielettrica (qui si dovrebbe
porre la distinzione tra rigidità
a breve ovvero lungo termine),
si può avere il cedimento
dell’isolamento con formazione
d’arco.
Spesso si verifica che tale arco
non è sostenuto dalla tensione
nominale, e tutto si risolve con
una ”offesa“ al trasformatore.
Questa apparentemente non
ne pregiudica l’immediato funzionamento,
ma in realtà ha degradato
l’isolamento e accelerato
l’invecchiamento, vale a dire che
ha predisposto una maggiore
vulnerabilità agli shock successivi.
In buona sostanza, si deve
qui ritenere che l’energia passante
relativa alle correnti di corto
circuito produce tre effetti dannosi:
a) effetto termico, con l’aumento
progressivo della temperatura
del rame e dei materiali isolanti
circostanti, con conseguente
possibile fusione del rame, formazione
di gas e carbonizzazione
degli isolanti organici se non
ANTINCENDIO febbraio 1997 59
si provvede ad interrompere entro
brevissimo tempo tali sovracorrenti,
alle quali sono legate in
parte sia le ”micro-scariche“ o
”scariche parziali“, sia in parte la
cosiddetta ”energia d’arco“, se e
quando l’arco elettrico si manifesta;
b) effetto meccanico, con ingenti
ed istantanei sforzi elettrodinamici,
soprattutto nel primo
semiperiodo del fenomeno (cioè,
a 50 Hz, nei primi millesimi di secondo),
vale a dire prima del
possibile intervento delle protezioni:
per fronteggiare tali inevitabili
sforzi è buona norma sovradimensionare
tutte le parti dell’impianto
elettrico dal punto di vista
meccanico, in modo da sopportare
con minimo danno gli sforzi
meccanici prevedibili nelle peggiori
condizioni di anomalo funzionamento;
c) effetto di sovraccarico di linee/apparecchiature
non direttamente
colpite dal guasto, se non
si attua il coordinamento della
selettività delle protezioni, con
conseguente allargamento progressivo
delle utenze non servite
(trattasi, nel caso estremo, del
raro e ben noto fenomeno del
black out delle reti elettriche).
Ai primi due effetti sono da
ascrivere le conseguenze dannose
che, immediatamente ovvero
cumulandosi nel tempo per la
predetta ”memoria dinamica“,
causano eventi calamitosi, suscettibili
di diversa evoluzione in
dipendenza della combustibilità
delle sostanze interessate.
Coerentemente, per i trasformatori
elettrici di potenza le Norme
IEC 76-5 del Comitato Elettrotecnico
Internazionale distinguono
espressamente (Parte 5:
Abilità a sostenere corti circuiti)
le sollecitazioni termiche, dalle
sollecitazioni dinamiche.
Le protezioni
di linea e di macchina
Un problema tipico dell’esercizio
delle reti elettriche di distribuzione
MT è quello della eliminazione
dei guasti permanenti su linee
radiali ramificate, e quindi
della relativa ricerca del guasto,
in particolare in condizioni sotto
guasto persistente.
Contro i due guasti più comunemente
registrati sulle linee MT,
due sono le protezioni impiegate:
– relè di massima corrente bipolare
a tempo indipendente,
con due soglie d’intervento, contro
le sovracorrenti di linea;
– relè direzionali di terra a sensibilità
varmetrica, contro le sovratensioni
che si stabiliscono
nei sistemi a neutro isolato in caso
di guasto tra una fase e terra,
e conseguente grave squilibrio
nelle tensioni verso terra.
Per inquadrare il problema delle
protezioni nel tema qui considerato,
occorre dire che l’eliminazione
del guasto presenta diversi
aspetti, in quanto deve essere:
– la più rapida possibile, per
contenere al minimo il disagio
degli utenti e il mancato collocamento
d’energia da fatturare, così
è stato introdotto il parametro
del tempo medio tra guasti
MTBF anche a questo scopo,
nella più vasta problematica della
qualità del servizio di fornitura
elettrica;
– la più precisa possibile, come
individuazione topologica per
contenere l’impegno delle squadre
d’intervento;
– la più avanzata tecnicamente
per ridurre il numero delle manovre
e l’accelerato logorio degli
apparecchi di manovra e degli
impianti elettrici;
– e ultima, ma prima per importanza,
la più sicura sia per gli
utenti che per le apparecchiature.
Criteri economici di gestione e
a ffidabilità degli impianti, in termini
di qualità dell’energia venduta,
determinano in pratica il
compromesso tra i diversi requisiti
anche per quanto riguarda la
scelta di quello che viene detto il
”sistema di telecontrollo e di teleoperazione“.
Essenzialmente, i requisiti in
questione sono:
– l’affidabilità, intesa come attitudine
ad intervenire in tutti i casi
in cui la grandezza controllata
della protezione raggiunge i limiti
di taratura;
– la selettività, che nelle rete radiali
è l’attitudine del sistema a
mettere fuori servizio soltanto il
componente in avaria dell’impianto:
la selettività è detta ”totale“
se il guasto verificatosi in un
punto della linea è eliminato dal
solo dispositivo di protezione posto
immediatamente a monte del
guasto, così realizzando la salvaguardia
della continuità del
servizio per la restante parte
dell’impianto;
– la rapidità d’intervento, come
capacità di eliminare l’anomalia
nel più breve tempo possibile, allo
scopo di contenere al minimo i
danni, senza pregiudicare la selettività
della protezione.
La rapidità d’intervento di apertura
del circuito in avaria, anche
quella ottenibile con più moderni
interruttori automatici detti talvolta
”a scatto istantaneo“, non può
mai essere istantanea:
il tempo di selettività che intercorre
tra il verificarsi del guasto e
la effettiva apertura del circuito è
la somma del tempo di transito
dell’onda di corrente dal punto di
guasto al punto di installazione
della protezione, dei ”tempi propri“
di funzionamento dell’interruttore
vero e proprio e dei relé
ausiliari, del tempo di taratura
della protezione, e dal tempo ”c“
c o e fficiente di sicurezza fissato
dal costruttore per tenere conto
delle varie precisioni degli organi
interessati e di eventuali alterazioni
per vetustà.
– la sensibilità a rilevare anche
piccole variazioni della grandezza
controllata;
– la semplicità, la robustezza e
costi moderati.
I due requisiti fondamentali
delle protezioni ampermetriche
(per le sovracorrenti) sono la
sensibilità (attitudine a intervenire
quando la grandezza da controllare
supera il valore di taratura
di soglia) e il tempo di intervento
(istantaneamente o con ritardo).
Più precisamente, gli interruttori
automatici di massima corrente,
fondamentali per la protezione
dei circuiti elettrici contro le
sovracorrenti, proprio per evitare
gli scatti intempestivi, non sono
del tipo ”a tempo di funzionamento
Istantaneo“, ma ”Ritardati“
(o a tempo costante indipendente
dalla grandezza da controllare;
ovvero a tempo dipendente
dalla grandezza da controllare,
con ritardi regolabili, tanto più
piccoli quanto maggiore è il valore
della corrente), così:
Nei tempi propri di intervento
delle protezioni (di linea e di
macchina) a tempo di funzionamento
istantaneo (e quindi a
maggior ragione anche in quelli a
tempo di intervento ritardato) si
ha che il circuito ”protetto“ non è
protetto, ma è attraversato dalla
piena corrente di guasto.
Orbene, nei tempi d’intervento
(che come minimo sono quelli
”propri“, mai nulli) si sviluppa una
quantità di energia meccanica e
di energia termica, che sono
quelle ”lasciate passare“ dal dispositivo
di protezione, che sollecitano
termicamente e meccanicamente
le parti dell’impianto da
proteggere: come ben noto, a tale
energia è stato dato appropriatamente
il nome di ”energia passante“
(ovvero ”energia specifica
passante“, se espressa per unità
di resistenza), e viene semplicemente
indicata di norma con ”i
quadrato per t“ ovvero ”Ampère
quadrato per secondo“, dal termine
sottostante il noto integrale
di Joule.
Se, con licenza, si volesse
usare un linguaggio da divulgazione
scientifica, si potrebbe ben
dire che una protezione a relé
non deve essere considerata come
”un ombrello sempre aperto“,
ma come un ”ombrello che necessita
di un tempo minimo di
apertura“, durante il quale la funzione
protettiva non si esplica.
E’ quindi un errore fondamentale
ritenere che una protezione
funzionante lasci sempre (e per
di più totalmente) integra l’apparecchiatura
”protetta“, questa risultando
nel caso migliore solo
parzialmente protetta, avendo
cioè solo limitato il danno.
Per di più, anche nel caso di
intervento della protezione apparentemente
senza danno, si deve
ricordare che in realtà l’apparecchiatura,
a causa della predetta
”energia specifica passante“,
ha subito una qualche off esa,
che sommandosi alle precedenti,
accorcia la vita utile
dell’apparecchiatura stessa, secondo
il concetto precedentemente
ricordato della ”memoria
dinamica“ della macchina: in ciò
consiste la combinazione dei due
concetti autonomi di energia passante
e memoria che, combinandosi,
danno luogo al concetto cumulativo
di ”offese memorizzate“
cioè offese prodotte dall’energia
passante e memorizzate per effetto
memoria che funge da totalizzatore
delle offese.
Sicché, la didattica elettrotecnica
si sforza ad ogni livello di
addestrare gli operatori anche
non elettrotecnici a tenere sempre
conto dell’”energia specifica
passante“ e quindi a non sollecitare
le ”protezioni“ e i sistemi
ANTINCENDIO febbraio 1997 61
protetti con tentativi di prove che
potrebbero essere razionalmente
evitati, per non accorciare inutilmente
la durata della vita tecnica
delle apparecchiature, nel migliore
dei casi.
Del pari, non può essere semplicemente
imputabile a ”sfortuna“
l’avere provocato un corto
circuito che, con minima diligenza
e responsabilità (come ad
esempio una semplice ricognizione
delle mappe catastali disponibili
o qualche semplice misura)
sarebbe stato evitabile,
nella convinzione che tutt’al più
la corrente di un accidentale corto
circuito avrebbe potuto provocare
un semplice scatto di un interruttore
e nessun danno alle
macchine elettriche a monte perché
tutte nuovissime e ”a protezione
integrale“ !
Ogni corto circuito è diverso
dall’altro, come l’ampia disamina
precedentemente volta ha evidenziato,
e anche le ripercussione
dello stesso corto circuito è
diversa da macchina a macchina
colpita: il corretto funzionamento
dei dispositivi di sicurezza non è
quindi una costante, e tantomeno
una costante a garanzia di
copertura assoluta da ogni rischio
di danno, stante la ”energia
specifica passante“.
Per quanto riguarda le perturbazioni
sulle linee elettriche, a
seguito di accurati rilievi statistici
è derivata la distinzione tra guasti
transitori e semipermanenti
(che si autoeliminano togliendo
la tensione di alimentazione alla
linea interessata per qualche decimo
di secondo) e guasti permanenti
(che si eliminano solo
con l’intervento di squadre d’intervento
sul posto del guasto).
Mentre sulle linee aeree i guasti
più frequenti sono quelli transitori
e semipermanenti (che si
autoeliminano in quanto la disalimentazione
consente la naturale
deionizzazione dell’arco prodottosi
localmente da fulminazioni
atmosferiche, rami d’albero, colpi
di frusta per caduta di manicotti
di ghiaccio, ecc.), sulle linee in
cavo la quasi totalità dei guasti è
di tipo permanente.
La ricerca ed eliminazione rapida
dei guasti richiede idonei protocolli
di richiusura automatica e
quindi i relativi dispositivi atti a
pilotare prestabiliti cicli di richiusure
automatiche dell’interruttore
di linea, dopo che questo ha eseguito
un primo scatto per l’intervento
dei relé di protezione.
Proprio in considerazione delle
diverse rilevazioni statistiche di
guasto sulle linee aeree e in cavo,
tali protocolli sono diversi nei
due casi, e precisamente le linee
MT in cavo non attuano richiusure
automatiche.
Nel caso della distribuzione urbana,
si notano tre circostanze di
tipo prudenziale:
a) il dispositivo di richiusura
automatica a corredo della protezione
viene di norma escluso sistematicamente;
b) le procedure di richiusura
sono di tipo manuale, non affidate
quindi ad automatismi ma ad
operatori istruiti alle diverse situazioni
di guasto;
c) le predette procedure manuali
per cavi hanno tempi di attuazione
molto più lunghi di quelli
per linee aeree. Infatti, per i cavi
la prima richiusura rapida dell’interruttore
è di norma prevista dopo
un minuto dalla prima apertura
dell’interruttore di linea (contro
il mezzo secondo circa generalmente
usato per le linee aeree);
mentre, sempre per i cavi, la seconda
richiusura lenta dell’interruttore
è prevista dopo tre minuti
dalla seconda apertura dell’interruttore
di linea (contro il mezzo
minuto circa generalmente usato
per le linee aeree).
Nonostante i criteri di maggiore
prudenza sopra indicati per i cavi,
resta che le due richiusure sono
effettuate ”alla cieca“, in modo
che la relativa energia passante
si scarica su apparecchiature
elettriche che potrebbero già
essere prossime al collasso.
Sulla questione della aff i d a b ilità
dei complessi di protezione,
un indice rilevante è quello della
cosiddetta ”sicurezza semplice
(n-1)“, secondo cui, in caso di distacco
di un qualsiasi elemento
della rete (linea, trasformatore,
sbarre), i restanti omologhi elementi
debbono reintegrare quelli
fuori uso, per evitare strozzature
intollerabili al flusso energetico.
I dati statistici aggiornati forniti
dagli esercenti europei hanno
evidenziato un valore medio ritenuto
buono, attestandosi su
10/1000 aperture intempestive e
su 3/1000 aperture non effettuate
o troppo temporizzate.
E’ noto che l’apertura intempestiva
è meno gravida di conseguenze
della non apertura per il
rispetto del principio di sicurezza
(n-1): tuttavia, in entrambi i casi
si registra ancora energia passante,
pregiudizievole per l’apparecchiatura
elettrica.
Risulta di tutta evidenza che
una protezione soddisfacente
deve evitare i cosiddetti ”scatti
intempestivi“, vale a dire quelli in
corrispondenza di sovraccarichi
che possono essere sopportati
dalla apparecchiatura da proteggere
perché contenuti entro limiti
tollerabili di tempo e ampiezza
della quantità da controllare.
Si deve qui anche ribadire il
carattere particolarmente insidioso
delle ”scariche parziali“, che
non sono rilevate dai relé (p.e.
quelli a gas) finché non si superano
i valori convenzionali d’intervento.
Occorre considerare anzitutto
che la questione che qui si pone
è nota in elettrotecnica come
”scariche parziali“ ovvero ”microscariche“,
che ricade nel capitolo
del cosiddetto ”comportamento
di conduttore in un mezzo dielettrico
imperfetto“, ed è stata risolta
nel senso che il conduttore di
rame sotto ipotesi di imperfetta
aderenza con il dielettrico (perché
sottoposto alle azioni ponderomotrici
delle correnti di corto
circuito) dà luogo a linee di forza
del vettore densità di corrente
che penetrano nel dielettrico e
rientrano nel conduttore in punti
a potenziale inferiore a quello dei
punti dai quali escono, dando
luogo alle cosiddette correnti
elettriche di dispersione, le quali
dissipano potenza elettrica per
e ffetto Joule nel dielettrico stesso,
sopraelevandone la temperatura.
Ciò posto, occorre richiamare
alcuni fondamenti della scarica
elettrica , intendendo per ”scarica“
i fenomeni associati al passaggio
della corrente elettrica in
mezzi che in condizioni di normale
esercizio sono isolanti.
L’elettrotecnica, che distingue
tra ”scarica intrinseca“ che avviene
per fenomeni d’instabilità elettronica,
e ”scarica termica“ dovuta
a instabilità termica dovuta a
insufficiente capacità del dielettrico
di smaltire il calore, stabilisce
che entrambe possono divenire
”scarica disruptiva“ in corrispondenza
al passaggio (molto spesso
distruttivo, da cui il termine) di
corrente elettrica attraverso un
mezzo isolante, causato da perdita
di isolamento nello spazio
(detto ”intervallo spinterometrico“)
in cui avviene la scarica provocata
da tensione superiore a
quella massima ammissibile, riferita
all’unità di lunghezza, che
viene detta ”rigidità dielettrica“ e
misurata in kV/cm.
La teoria dei dielettrici spiega
la cosiddetta ”scarica termica“ in
quanto all’aumentare del campo
elettrico applicato ad un dielettrico,
questo ha un progressivo aumento
di temperatura che porta
al suo cedimento, in conseguenza
all’enorme aumento di portatori
di carica per ionizzazione termica
o per collisione con altri
portatori accelerati dal campo
applicato, vale a dire, nel caso di
campi elettrici alternativi sinusoidali,
per effetto dell’isteresi dielettrica
dovuta al ritardo con cui
la polarizzazione dipolare segue
la variazione del campo.
Per le miscele liquido-gassose,
la ”tensione di innesco“ della
scarica disruptiva dipende da numerosi
fattori: dal tipo di miscela,
dalla superficie e dalla distanza
degli elettrodi, dalla forma dei volumi
in gioco, dall’andamento nel
tempo della differenza di potenziale
applicata agli elettrodi, da
costituzione, temperatura e pressione
della miscela , ed entro
certi limiti, dalla corrente esistente
prima del verificarsi della scarica.
Le scariche parziali sono così
dette in quanto il loro percorso si
sviluppa solamente su parte della
distanza spinterometrica, potendosi
esplicare sia in prossimità
dei conduttori (scariche parziali
Superficiali), sia all’interno
del dielettrico (s.p. Interne), sia in
corrente continua che alternata.
In quest’ultimo caso il fenomeno
delle scariche parziali acquista
una importanza preminente nel
fenomeno di scarica, in quanto,
se sussistono le condizioni, basta
che una scarica si manifesti
perché ad essa ne seguano altre,
il numero di scariche in un
periodo via via aumenta (il campo
esistente nel vacuolo essendo
la somma del campo applicato
e del campo inverso), esaltandosi
più o meno rapidamente,
portando alla rottura o cedimento
finale (final breakdown).
Si deve anche qui precisare
che i vacuoli possono esistere
nel dielettrico fin dall’origine della
costruzione del trasformatore per
imperfezioni costruttive iniziali,
ma più spesso si formano, e comunque
si aggravano, con ”l’invecchiamento“
a causa delle sollecitazioni
alle quali il dielettrico
viene sottoposto durante l’esercizio,
sia normale che anormale.
Si può facilmente concludere
da quanto molto sinteticamente
riassunto (non è questa la sede
adatta per intrattenersi sulla legge
di Paschen o sul meccanismo
di breakdown di Townsend, né
sulle cariche spaziali, ovvero la
colonna positiva, gli spazi detti
oscuri – ma che totalmente oscuri
ANTINCENDIO febbraio 1997 63
non sono – di Crookes e di Faraday,
sulla legge di Weibull generalizzata
per la funzione di distribuzione
della probabilità di guasto
e così via) che è assai complesso
lo studio delle scariche
nella miscela in cui si possono
trovare almeno in parte gli avvolgimenti
di un trasformatore soggetto
ad energia passante transitoria,
e che esso richiede la conoscenza
di elementi di non facile
o addirittura impossibile determinazione
per l’evento calamitoso.
Tuttavia, per esso si deve convenire
che al verificarsi del progressivo
aumento della corrente
negli avvolgimenti in rame, si determina
una deformazione degli
stessi con conseguente discontinuità
di isolamento all’interno
delle spire dell’avvolgimento, sotto
forma di vacuoli (ovvero di lame)
pieni di miscela aeriforme,
discontinuità che a sua volta ha
prodotto – proprio in corrispondenza
di detta discontinuità- addensamenti
del gradiente di tensione
del tutto nuovi rispetto alla
situazione preesistente di normale
funzionamento, nella quale
l’insieme dielettrico, seppure a
strati strutturalmente disomogenei
e differenziati, teoricamente
escludeva discontinuità o vacuoli,
e praticamente, semmai vi fossero
stati, consentiva l’esercizio.
Tali addensamenti di gradiente
diventano pericolosi sia in regime
permanente (in particolare sinusoidale),
sia in regime transitorio:
in ciò risiede il carattere particolarmente
insidioso delle scariche
parziali, che possono dare
luogo a ”tempi di cova“ durante i
quali non si avverte la sintomatologia
del fenomeno in progressione,
finché non si perviene al
cedimento finale.
La pericolosità deriva dal fatto,
ben noto agli elettrotecnici, che a
parità di spazio tra gli elettrodi e
di tensione applicata, non è vero
che due dielettrici sono meglio di
uno: vero è invece che l’occupazione
dello spazio interelettrodico
di due dielettrici comporta che
il gradiente di potenziale è maggiore
nel mezzo avente costante
dielettrica minore, vale a dire che
aggrava le sollecitazioni sul dielettrico
a minore costante dielettrica
e diminuisce le sollecitazioni
sul dielettrico a maggiore costante
dielettrica.
Nel caso del passaggio da
esclusivo dielettrico (avente costante
dielettrica relativa di qualche
decina), a dielettrico in serie
con miscela gassosa e con aria
(con costante dielettrica relativa
pari a circa l’unità il sottile strato
(almeno inizialmente) di dielettrico
misto a vapori è sottoposto ad
un gradiente notevolmente superiore
alla propria rigidità dielettrica
(di circa 30 kV/cm), con i fenomeni
distruttivi di perdita delle
proprietà isolanti che ne conseguono.
L’esempio di scuola dell’accoppiamento
di due condensatori
piani in serie (a campo uniforme)
con dielettrici carta impregnata e
aria mostra, stante la rigidità dielettrica
della carta variabile da
200 a 1200 kV/cm circa in funzione
dell’essiccamento, degassazione,
uniformità e compattezza),
come fatto più probabile da
attendersi il cedimento dell’aria e
non della carta, per piccoli spessori
di aria come i vacuoli per
l’appunto.
Conclusioni
Con l’effetto totalizzante, combinazione
dei concetti dell’energia
transitoria passante e della
memoria dinamica delle apparecchiature
elettriche, si possono
spiegare dalla genesi tutti i
fenomeni causati da un corto circuito,
e quindi è possibile prevenirne
gli effetti calamitosi.
Con riferimento al caso generalizzato
di corto circuito localizzato
a distanza (e quindi non necessariamente
all’interno) di apparecchiatura
elettrica, si è stabilito
che:
a) ogni corto circuito è diverso
dall’altro: non solo perché diverse
possono essere le cause scatenanti,
ma anche perché, a parità
di sistema elettrico linea-protezioni-apparecchiatura,
si possono
avere diverse correnti di
corto circuito, e quindi conseguenze
diverse.
b) nei tempi propri di intervento
delle protezioni a tempo di funzionamento
istantaneo (e quindi
a maggior ragione anche in quelli
a tempo di intervento ritardato) si
ha che il circuito – che si ritiene
”protetto“ – in realtà non è protetto,
ma è attraversato dalla piena
corrente di guasto.
Orbene, nei tempi d’intervento
(che come minimo sono quelli
”propri“ mai nulli) si sviluppa una
quantità di energia meccanica e
di energia termica, che sono
quelle ”lasciate passare“ dal dispositivo
di protezione, che sollecitano
termicamente e meccanicamente
le parti dell’impianto da
proteggere: a tale energia è stato
dato appropriatamente, come già
detto, il nome di ”energia passante“.

E’ quindi un errore fondamentale
ritenere che una protezione
funzionante lasci sempre (e per
di più totalmente) integra l’apparecchiatura
”protetta“, questa risultando
nel caso migliore solo
parzialmente protetta, avendo
cioè solo limitato il danno.
3) Per di più, anche nel caso di
intervento della protezione apparentemente
senza danno, si deve
ricordare che in realtà l’apparecchiatura
– a causa della predetta
”energia passante“ – ha subito
una qualche ”offesa“, diversa
di volta in volta secondo i
meccanismi delle scariche parziali,
dei tempi di cova e dell’arco
sopra richiamati.
4) Ogni ”offesa“, sommandosi
alle precedenti secondo il concetto
totalizzatore della ”memoria
dinamica“ dell’apparecchiatura,
contribuisce ad accorciare la vita
utile dell’apparecchiatura stessa,
e quindi risulta tanto più pericolosa
e anticipatrice del collasso
dell’apparecchiatura, quanto
maggiore è l’entità delle ”off e s e
memorizzate“ dall’apparecchiatura
stessa.

 

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