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Incendi di natura elettrica: Sovratensioni, sovracorrenti e cortocircuiti

Tra i fenomeni elettrici associati agli eventi di guasto ci sono le sovratensioni, le sovracorrenti e i cortocircuiti. Ma quanto ne sappiamo?

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Si continua ad esaminare il tema degli incendi di natura elettrica e dopo aver visto in quali termini si realizza un innesco, si passa ad analizzare i fenomeni elettrici legati agli eventi di guasto.
Indipendentemente dal sistema, dal meccanismo o dal problema, i guasti elettrici sono connessi ad una delle due grandezze elettriche, tensione e corrente, e al tempo associato ad esse.
In un sistema elettrico possono quindi verificarsi condizioni anomale di funzionamento o guasti, ecco come lo spiega il documento predisposto dal Nucleo investigativo antincendi dei Vigili del fuoco.

Quando si verifica un aumento anomalo della tensione rispetto al normale valore di esercizio si è in presenza di una sovratensione.
Le sovratensioni producono effetti negativi soprattutto sugli isolamenti dei componenti e sulle apparecchiature elettriche. Possono essere di origine interna, e quindi dovute al funzionamento stesso dell’impianto elettrico, o di origine esterna.

Le sovratensioni di origine interna possono essere di due tipi:
– di manovra, SEMP – Switching ElectroMagnetic Pulse: sono dovute ad una repentina alterazione della condizione di regime all’interno di una rete elettrica che si manifesta sotto forma di onde di sovratensione ad alta frequenza o oscillatorie smorzate. Possono essere generate da manovre di interruzione o commutazione di circuiti, manovre di comando, avviamento o arresto di motori e inserzioni di batterie di condensatori. Le sovratensioni di manovra si manifestano con maggior frequenza rispetto a quelle di origine atmosferica pur possedendo un minore contenuto energetico; hanno una durata breve ma, in virtù dell’elevato valore di picco e del brusco fronte di salita, provocano un forte logorio dei sistemi elettrici;
– temporanee a frequenza di rete, TOV – Temporary Over Voltage: possono verificarsi a causa di guasti nella rete in bassa o media tensione o per manovre con durata superiore a 5 secondi. Tali sovratensioni possono essere generate dalla rottura del conduttore di neutro (neutro flottante) con conseguente squilibrio delle tensioni di fase, da guasti di isolamento fase/massa o fase/ terra su un circuito a neutro isolato, da un intervento di scaricatori su linee di media tensione con conseguente innalzamento del potenziale di terra dell’impianto o da un guasto MT/BT in cabina.

Le sovratensioni di origine esterna si suddividono in due categorie:
– sovratensioni a formazione lenta dipendenti da fenomeni di induzione elettrostatica, ESD – Electro Static Disharge, con accumulo di cariche elettriche: generano campi elettrostatici molto elevati in grado di dar luogo a tensioni di diversi kV e provocare una corrente di qualche ampere;
– sovratensioni impulsive, LEMP – Lighting ElectroMagnetic Pulse: sono caratterizzate da una forma d’onda impulsiva tipica delle fulminazioni dirette sulla linea elettrica o in prossimità di essa.
Quando un’apparecchiatura (o dispositvo) funziona con una corrente superiore al valore nominale è attraversata da una sovracorrente.
La sovracorrente può essere generata da un sovraccarico non imputabile a un guasto circuitale oppure da un corto circuito dovuto al contatto accidentale fra due conduttori a tensione diversa. Il sovraccarico è tipico di un sistema elettricamente sano ma che, a seguito di determinate condizioni di funzionamento, eroga o assorbe una corrente superiore alla corrente nominale.
A differenza del sovraccarico, il cortocircuito rappresenta un guasto accidentale del sistema elettrico, vale a dire un cedimento casuale e involontario dell’isolamento di uno o più cavi in tensione verso massa o fra loro, o, più in generale, tra parti di macchine o impianti a differente tensione.

A differenza del sovraccarico, un fenomeno termodinamico lento e “diabatico” che in virtù delle limitate correnti in gioco può essere tollerato per qualche tempo, il cortocircuito è un fenomeno velocissimo e quasi adiabatico (senza scambio termico con l’esterno) che si manifesta, generalmente, sotto forma di archi elettrici che danneggiano immediatamente parti del sistema elettrico.

Scintilla, arco elettrico e guasti d’arco
L’arco elettrico, così come la cosiddetta scintilla (o scarica elettrica), è determinato dal trasferimento di elettroni attraverso lo spazio; a differenza della scintilla, tuttavia, non è un evento transitorio ma un evento che si protrae nel tempo.
Nell’ambito dell’investigazione degli incendi di natura elettrica è uso comune considerare la scintilla elettrica come un’emissione di particelle incandescenti da parte dell’arco elettrico e la scarica elettrica transitoria come un caso particolare di arco elettrico non sostenuto.
Una scintilla, elettrostatica o meno, si manifesta attraverso una scarica elettrica che si palesa allorquando un campo elettrico, sufficientemente elevato, crea un canale elettricamente conduttivo ionizzato, in aria o in miscele di aria o altri gas, attraverso un mezzo normalmente isolante. Una scintilla elettrica può avere origine anche all’interno liquidi o solidi isolanti anche se i meccanismi di degradazione sono significativamente diversi da quelli relativi alle scintille nei gas. La rapida transizione da uno stato non conduttore a uno stato di conduzione produce una breve emissione di luce e un suono schioccante o detonante.

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Se l’alimentazione continua a fornire corrente, la scintilla evolverà in flusso continuo chiamato arco elettrico che si verifica quando l’elettricità cerca di scavalcare una lacuna in un conduttore finendo per causare una “scarica elettrica luminosa ad alta temperatura”. L’aria viene ionizzata e l’arco permane finché l’alimentazione non viene disattivata da un dispositivo di protezione.
Il fenomeno dell’arco è particolarmente temibile soprattutto perché assume carattere esplosivo con conseguente proiezione di particelle incandescenti (rame fuso nei normali conduttori) e possibilità di sfondamento dei contenitori (armadi elettrici).

Le diverse tipologie dei guasti d’arco
Passiamo ora ad analizzare le tre diverse tipologie di guasti d’arco esistenti: in serie, d’arco parallelo e a terra.
Gli archi in serie interessano un unico conduttore attivo. Possono scaturire dalla presenza di contatti non saldi, come nel caso di serraggio inadeguato dei morsetti, o dalla rottura del conduttore. Questa tipologia di guasto non presenta correnti di dispersione verso terra e, a causa dell’esistenza di un’impedenza d’arco di guasto, le correnti sono generalmente inferiori alle correnti nominali dei carichi in quanto l’arco elettrico va ad aumentare l’impedenza globale del circuito rendendo improbabile l’intervento di un dispositivo di protezione da sovracorrente. Contro questi guasti è opportuno l’impiego dei cosiddetti dispositivi elettrici di protezione “AFDD” – Arc Fault Detection Device – poiché i dispositivi di protezione standard, come l’interruttore magnetotermico o l’interruttore differenziale, non sono in grado di intervenire.
I guasti d’arco parallelo (tra fase e fase o tra fase e neutro) possono essere causati, ad esempio, dall’invecchiamento del materiale isolante o dalla presenza di sporco conduttivo tra i conduttori di linea.
Nel caso di guasti in parallelo tra il conduttore di fase (L) e quello di protezione (PE), la corrente scorre attraverso l’arco elettrico tra il conduttore di fase e il conduttore di terra. In un caso del genere, la protezione antincendio è affidata all’interruttore differenziale perché gli interruttori magnetotermici e i fusibili non sono in grado di rilevare il guasto.
Nel caso di guasti in parallelo tra il conduttore di fase (L) e il conduttore di neutro (N), invece, la corrente, generalmente molto intensa, scorre attraverso l’arco elettrico tra il conduttore di fase e il conduttore di neutro, non fluendo attraverso il conduttore di terra, bypassando il carico. In presenza di questo tipo di guasto, i dispositivi di protezione da sovraccarico e cortocircuito, quali interruttori automatici e fusibili, offrono, solitamente, una protezione. L’efficacia di questi dispositivi dipende, tuttavia, dalle impedenze in gioco nel circuito di guasto e dal valore della tensione d’arco: elevati valori di impedenza d’arco possono limitare, infatti, l’efficacia delle protezioni. In questi casi, i dispositivi AFDD possono offrire una protezione aggiuntiva.
La perdita di isolamento tra i conduttori normalmente in tensione e le masse può provocare un guasto chiamato, generalmente, guasto a terra.
La corrente di guasto a terra si manifesta, almeno inizialmente, come un arco, caratterizzato da un’intensità di corrente molto modesta, localizzato nel punto in cui è venuto meno l’isolamento. In una fase successiva, il guasto evolve, più o meno rapidamente, per assumere il carattere di “guasto franco” fase-terra: se tale guasto non è tempestivamente arginato dalle protezioni può arrivare a coinvolgere tutte le fasi dando origine ad un cortocircuito trifase con contatto a terra.
L’impianto può essere danneggiato sia dalle iniziali correnti d’arco che, in virtù della loro modesta entità, sono difficilmente rivelabili dagli sganciatori di sovracorrente (pertanto, possono permanere a lungo e arrivare ad innescare un incendio) sia dal cortocircuito che potrebbe verificarsi allorquando sia stata compromessa l’integrità dell’impianto.
Altra importante conseguenza della corrente di guasto a terra è quella relativa al pericolo per le persone derivante da un contatto indiretto, cioè a seguito del contatto con masse che sono andate accidentalmente in tensione a causa del cedimento dell’isolamento principale.

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