La guida definitiva alla protezione dalle dispersioni di terra nei sistemi CA

Introduzione: Una lezione scritta in tragedia

In un umido martedì mattina, una cucina commerciale ronzava con il familiare rumore del lavoro di preparazione. Un mixer in acciaio inossidabile, in funzione da tempo, si è improvvisamente ammutolito. Un giovane addetto alla cucina, nel tentativo di riavviarlo, sentì una forte scossa quando la sua mano toccò l'involucro della macchina. È crollato, vittima di una grave scossa elettrica. L'indagine successiva rivelò un guasto catastrofico: anni di utilizzo avevano consumato l'isolamento del cablaggio interno del mixer, causando la messa in tensione del suo telaio metallico. Il quadro elettrico dell'edificio era dotato di interruttori per i sovraccarichi, ma l'unico dispositivo che avrebbe potuto salvargli la vita - un dispositivo di protezione dalle dispersioni di terra - era assente.

Questa tragedia, come innumerevoli altre nei cantieri, nelle officine e persino nelle case, era del tutto evitabile. La piccola corrente invisibile che è passata dall'apparecchio difettoso a terra attraverso il corpo della vittima è stata un killer silenzioso. Questo incidente ci ricorda un principio fondamentale della sicurezza elettrica: la protezione dai sovraccarichi non è sufficiente. È qui che protezione da dispersione a terra passa da una specifica tecnica a una necessità salvavita. È il livello di sicurezza critico progettato per rilevare proprio il tipo di guasto che ha portato a questa morte evitabile, scollegando l'alimentazione in millisecondi, molto prima che possa essere erogata una dose letale di elettricità.

Che cos'è la dispersione di terra? Capire il pericolo silenzioso

Per apprezzare la soluzione, bisogna prima comprendere a fondo il problema. La dispersione verso terra è un fenomeno elettrico sottile ma pericoloso che si verifica quando la corrente sfugge al percorso previsto e si riversa a terra. In un impianto elettrico sicuro e sano, questo fenomeno non dovrebbe mai verificarsi.

I fondamenti di un circuito bilanciato

Il cuore di ogni sistema a corrente alternata (CA) è un semplice principio di equilibrio, regolato dalla legge di Kirchhoff sulla corrente. In un circuito monofase, la corrente passa dalla sorgente di alimentazione al carico (ad esempio, un apparecchio o una luce) attraverso il conduttore sotto tensione (o di fase). Poi ritorna alla sorgente attraverso il conduttore neutro. In un sistema perfettamente bilanciato e isolato, la corrente che scorre attraverso il conduttore sotto tensione è esattamente uguale alla corrente che ritorna attraverso il conduttore neutro. I loro campi magnetici sono uguali e opposti e si annullano a vicenda. Questo equilibrio è la firma di un circuito sicuro e funzionante. Il conduttore di protezione di terra (o massa) è presente solo come misura di sicurezza e non deve trasportare corrente in condizioni operative normali.

Le cause di una pericolosa dispersione a terra

Un guasto di dispersione a terra si verifica quando questo delicato equilibrio si rompe. Una parte della corrente trova un percorso alternativo e non previsto verso la terra, “fuoriuscendo” dal circuito primario. Questa pericolosa deviazione significa che la corrente di ritorno attraverso il conduttore neutro è ora inferiore alla corrente fornita dal conduttore sotto tensione. Questo squilibrio può essere causato da diversi fattori, spesso legati al degrado o al danneggiamento:

• Guasto dell'isolamento: Questo è il colpevole più comune. Nel corso del tempo, l'isolamento protettivo attorno ai conduttori può degradarsi a causa del calore, dell'invecchiamento, dell'esposizione chimica, dei raggi UV o delle sollecitazioni meccaniche. Quando diventa fragile, incrinato o usurato, può esporre il conduttore sotto tensione, permettendo alla corrente di fuoriuscire verso qualsiasi materiale conduttore adiacente, come un involucro metallico o un condotto. 
• Umidità e contaminazione: L'acqua è un eccellente conduttore di elettricità. L'infiltrazione di umidità in involucri, condotti o apparecchi, dovuta a umidità, perdite o esposizione diretta all'acqua, può creare un percorso conduttivo dalle parti sotto tensione alla carpenteria metallica messa a terra. Anche la polvere e la sporcizia, soprattutto se combinate con l'umidità, possono diventare conduttrici e facilitare le correnti di dispersione.
• Contatto diretto accidentale: Lo scenario più pericoloso è quello in cui una persona fornisce il percorso verso la terra. Toccando un componente sotto tensione a contatto con la terra o con un oggetto collegato a terra, il corpo umano diventa parte del circuito elettrico e il flusso di corrente che ne deriva può essere fatale.
• Cablaggio o apparecchiatura difettosa: Impianti elettrici mal eseguiti, collegamenti allentati o apparecchi difettosi sono fonti significative di dispersione a terra. Un guasto interno in una lavatrice, ad esempio, potrebbe mettere sotto tensione il suo involucro metallico, creando un grave rischio di scossa per chiunque la tocchi.

La pericolosità della dispersione a terra risiede nella sua invisibilità. Una corrente di appena 30 milliampere (0,030 ampere) che attraversa il torso umano può innescare la fibrillazione ventricolare, un fremito caotico del cuore che è la principale causa di morte per scossa elettrica. Gli interruttori standard, progettati per intervenire a 10, 20 o addirittura 100 ampere per proteggere da sovraccarichi e cortocircuiti, sono completamente ciechi di fronte a queste piccole e letali correnti di dispersione.

Fig. 1: Confronto visivo del flusso di corrente in un sistema sano (a sinistra) rispetto a un sistema con un guasto attivo di dispersione a terra (a destra).

La soluzione: Dispositivi a corrente residua (DCR) e RCBO

La soluzione dedicata per la mitigazione dei rischi di dispersione a terra è la Dispositivo a corrente residua (RCD). Conosciuto con diversi nomi in tutto il mondo (ad esempio, Ground Fault Circuit Interrupter o GFCI in Nord America), la sua funzione rimane la stessa. Un RCD è un interruttore di sicurezza intelligente che monitora continuamente il bilanciamento della corrente tra i conduttori sotto tensione e quelli neutri.

Il suo scopo fondamentale è quello di rilevare i piccoli e pericolosi squilibri causati dalle correnti di dispersione a terra. Quando rileva una discrepanza che supera la soglia di intervento predefinita (ad esempio, 30 mA), scollega l'alimentazione quasi istantaneamente, in genere entro 30 millisecondi. Questa risposta rapida è abbastanza veloce da evitare una scossa elettrica fatale. Un dispositivo strettamente correlato, il Interruttore automatico differenziale con protezione da sovracorrente (RCBO), integra questa capacità di salvataggio con le funzioni di un interruttore tradizionale, fornendo una soluzione di protezione completa in un'unica unità. 

Approfondimento: Il principio di funzionamento della protezione dalle dispersioni di terra

La genialità dell'RCD risiede nel suo elegante e affidabile principio di funzionamento, che ruota attorno a un componente chiamato Core Balance Current Transformer (CBCT), noto anche come Zero-sequence Current Transformer (ZCT). Comprendere il funzionamento di questo componente è fondamentale per apprezzare l'efficacia di protezione da dispersione a terra.

Il CBCT è un piccolo trasformatore a forma di anello attraverso il quale passano sia il conduttore sotto tensione che quello neutro del circuito. Di seguito viene illustrato passo per passo il suo funzionamento:

1. Stato di salute (corrente equilibrata): In un circuito normale, privo di guasti, la corrente che fluisce verso il carico attraverso il conduttore sotto tensione è identica alla corrente che ritorna dal carico attraverso il conduttore neutro. Quando questi due conduttori passano attraverso il nucleo del CBCT, le loro correnti uguali e opposte generano campi magnetici (flusso) anch'essi uguali e opposti. Questi campi si annullano completamente. Di conseguenza, il flusso magnetico netto nel nucleo è nullo.
2. Guasto di dispersione a terra (corrente sbilanciata): Immaginate ora che si verifichi un guasto. Una persona tocca un filo sotto tensione o un isolamento difettoso permette alla corrente di fuoriuscire dal telaio di un apparecchio verso la terra. Una parte della corrente ora bypassa il conduttore neutro e scorre direttamente a terra. La corrente nel conduttore sotto tensione è ora maggiore di quella nel conduttore neutro.
3. Rilevamento: Questo squilibrio significa che i campi magnetici prodotti dai due conduttori all'interno del CBCT non si annullano più a vicenda. Nel nucleo si crea un flusso magnetico netto, proporzionale alla quantità di corrente di dispersione.
4. Inciampare: Il CBCT ha un terzo avvolgimento, una bobina di rilevamento secondaria. Il flusso magnetico alternato nel nucleo induce una piccola corrente in questa bobina di rilevamento. Questa corrente fluisce verso un meccanismo di intervento altamente sensibile.
5. Disconnessione: Il meccanismo di intervento è un relè collegato a un interruttore. Quando la corrente della bobina di rilevamento raggiunge un livello specifico, impostato in fabbrica (corrispondente alla sensibilità nominale dell'RCD, ad esempio 30 mA), il relè si attiva. Il relè sblocca i contatti dell'interruttore principale, scollegando immediatamente sia il conduttore sotto tensione che quello neutro e interrompendo l'alimentazione del circuito difettoso.

L'intero processo, dal rilevamento alla disconnessione, avviene in una frazione di secondo, garantendo una solida protezione contro le scosse elettriche.

Fig. 2: Il principio di funzionamento di un RCD, che mostra come uno squilibrio di corrente nei conduttori primari induca una corrente di intervento nella bobina di rilevamento.

[Immagine: Una foto di alta qualità di un RCD di tipo B a 4 poli montato su pannello, che mostra il pulsante di prova e i terminali].

Scegliere il dispositivo giusto: Un'analisi comparativa

Sebbene il principio di base sia coerente, non tutti i dispositivi di protezione da dispersione a terra sono uguali. La scelta del dispositivo più adatto all'applicazione è fondamentale per garantire la sicurezza e l'affidabilità del sistema. La prima decisione importante è tra un RCD e un RCBO.

DCR vs. RCBO: Qual è la differenza?

La distinzione principale risiede nell'ambito di protezione. Una DCR è un dispositivo specialistico; la sua unica funzione è quella di fornire protezione da dispersione a terra. Non è assolutamente in grado di rilevare le sovracorrenti dovute a sovraccarichi o cortocircuiti. Pertanto, un RCD deve sempre essere utilizzato insieme a un dispositivo di protezione dalle sovracorrenti separato, come un interruttore automatico (MCB) o un fusibile.

Un RCBO, è invece un dispositivo composito. Integra le funzioni di un RCD e di un MCB in un'unica unità compatta. Ciò significa che fornisce una protezione completa contro tutti e tre i principali rischi elettrici: dispersione a terra (protezione da scosse), sovraccarichi (rischio di incendio) e cortocircuiti (rischio di incendio ed esplosione). 

Ecco un confronto diretto:

Fig. 3: Un RCBO combina i meccanismi di rilevamento della corrente residua e della sovracorrente in un unico dispositivo.

[Immagine: Una guida DIN con un RCBO compatto a modulo singolo installato accanto a un MCB standard per il confronto delle dimensioni].

Tipi di RCD: Abbinamento del dispositivo al carico

Scegliere l'errore tipo di RCD può essere pericoloso quanto l'omissione di uno di essi. I moderni carichi elettrici ed elettronici possono generare correnti di dispersione complesse che i vecchi tipi di RCD non sono in grado di rilevare. Questo può portare a due problemi critici: l'intervento di disturbo (il dispositivo interviene senza un vero guasto) o, peggio ancora, il mancato intervento durante un vero guasto. Gli RCD sono classificati in base al tipo di corrente residua che sono progettati per rilevare. 

Valutazioni di sensibilità (IΔn):

Oltre al tipo, gli RCD hanno una sensibilità nominale, indicata come IΔn (corrente residua nominale di funzionamento). Questo valore definisce la soglia di corrente di dispersione alla quale il dispositivo interviene.

• 30mA (alta sensibilità): È lo standard per la protezione del personale. È obbligatorio per le prese e i circuiti in luoghi ad alto rischio, poiché è progettato per intervenire ben al di sotto del livello di corrente che può causare la fibrillazione ventricolare.
• 100mA (sensibilità media): Offre una buona protezione delle apparecchiature e prevenzione degli incendi, con un livello ridotto di protezione dagli shock. Spesso viene utilizzato nelle posizioni principali dell'incomunicatore per fornire una protezione di riserva e prevenire gli incendi, mentre gli RCD di grado inferiore a valle forniscono protezione al personale.
• 300mA (bassa sensibilità): Utilizzato principalmente per la protezione antincendio da guasti a terra, soprattutto in grandi impianti industriali o dove c'è il rischio di elevate correnti di guasto a terra. Non offre una protezione significativa contro le scosse del personale.

Scenari applicativi del mondo reale per la protezione dalle dispersioni di terra

La selezione e l'implementazione di protezione da dispersione a terra variano in modo significativo a seconda dell'ambiente e dei rischi connessi.

Installazioni residenziali

Nelle case moderne la sicurezza è fondamentale. Le normative della maggior parte dei Paesi impongono una protezione da dispersione a terra di 30 mA su tutte le prese di corrente, nonché sui circuiti che alimentano i bagni e le attrezzature esterne. La prassi migliore è quella di utilizzare gli RCBO per i singoli circuiti. In questo modo si garantisce che un guasto sulla linea principale del piano inferiore non faccia cadere nell'oscurità l'illuminazione del piano superiore. L'utilizzo di RCBO su circuiti critici come il computer dell'ufficio, il congelatore o il sistema di sicurezza garantisce una maggiore affidabilità, evitando la perdita di dati o il deterioramento degli alimenti a causa di un fastidioso guasto in un altro punto della casa.

Ambienti commerciali e industriali

La complessità dei carichi negli ambienti commerciali e industriali richiede specifiche accurate. La proliferazione degli azionamenti a frequenza variabile (VFD) nei motori, nei sistemi HVAC e nei macchinari industriali rende necessario l'uso di RCD di tipo B. Un RCD standard di tipo A può essere “accecato” dalle correnti di dispersione CC prodotte da questi azionamenti e non funzionare. È comune uno schema di protezione gerarchico o coordinato, in cui un RCD ritardato nel tempo e meno sensibile (ad esempio, 300 mA di tipo S) sul quadro di distribuzione principale fornisce protezione antincendio e backup, mentre i singoli RCBO da 30 mA a valle forniscono protezione personale per i circuiti finali. In questo modo si garantisce la discriminazione, ovvero interviene solo il dispositivo più vicino al guasto.

Ambienti ad alto rischio (cantieri edili, medici)

Negli ambienti in cui il rischio di scosse elettriche è elevato, i requisiti sono ancora più severi. Nei cantieri, la combinazione di cablaggi temporanei, strumenti portatili pesanti e condizioni di umidità crea una tempesta perfetta per gli incidenti elettrici. L'uso obbligatorio di RCD o RCBO da 30 mA su tutti i circuiti, unito a un rigoroso regime di test regolari, non è negoziabile.

I luoghi medici hanno requisiti unici e complessi. In aree come le sale operatorie, le aree elettriche “protette dal corpo” e “protette dal cuore” utilizzano sistemi di alimentazione isolati (IPS) con monitor di isolamento di linea (LIM) al posto degli RCD standard per garantire la continuità di alimentazione delle apparecchiature di supporto vitale, monitorando al contempo il primo guasto a terra.

Guida pratica per la risoluzione dei problemi di intervento

Sebbene gli RCD e gli RCBO siano dei veri e propri salvavita, a volte possono essere fonte di frustrazione quando scattano senza un motivo apparente. Questi “scatti fastidiosi” sono fastidiosi, ma è importante ricordare che spesso il dispositivo svolge il suo lavoro rilevando un guasto sottile o intermittente. L'individuazione dei guasti deve sempre essere effettuata da un elettricista qualificato, ma la comprensione del processo è preziosa.

Il seguente diagramma di flusso illustra un approccio sistematico per identificare la causa di un intervento dell'RCD.

Fig. 4: Un approccio sistematico per identificare la fonte di un intervento dell'RCD.

Ecco un'elaborazione delle fasi di risoluzione dei problemi:

1. Reset iniziale e osservazione: Tentare di resettare l'RCD una volta. Scatta immediatamente (indicando un guasto permanente) o dopo un ritardo o a intermittenza (suggerendo un guasto legato all'apparecchio o all'umidità)?
2. Isolare i circuiti (per gli interruttori differenziali di gruppo): Se l'RCD intervenuto protegge un gruppo di circuiti, spegnere tutti gli MCB associati. Ripristinare l'RCD. Se ora rimane acceso, il guasto si trova in uno dei circuiti.
3. Identificare il circuito difettoso: Riaccendere gli interruttori magnetotermici uno alla volta, con una breve pausa tra l'uno e l'altro. Il circuito che fa scattare l'RCD è quello che contiene il guasto.
4. Isolare gli apparecchi: Sul circuito difettoso identificato, scollegare tutti gli apparecchi collegati. Questo include tutto, dalle lampade ai televisori, dalle prolunghe ai caricatori telefonici. Resettare l'RCBO (o l'RCD e il relativo MCB). Se ora regge, il guasto è dovuto a uno degli apparecchi scollegati.
5. Identificare il dispositivo difettoso: Collegare e accendere gli apparecchi uno alla volta. L'apparecchio che fa scattare l'RCD è quello difettoso. Deve essere rimosso dal servizio e riparato o sostituito.
6. Guasto al cablaggio: Se l'RCD scatta anche se tutti gli apparecchi del circuito sono scollegati, il guasto è quasi certamente da ricercare nel cablaggio fisso. Questo è un compito che spetta a un elettricista professionista, che dovrà eseguire dei test, come quello della resistenza di isolamento, per individuare e riparare il guasto.

Una causa comune di intervento fastidioso nelle installazioni moderne è l'effetto cumulativo di piccole e normali correnti di dispersione da parte di molti dispositivi elettronici (PC, server, TV). Ogni dispositivo può avere una piccola corrente di dispersione ben al di sotto dei 30 mA, ma quando molti di essi si trovano sullo stesso circuito, la loro dispersione cumulativa può superare la soglia dell'RCD. In questo caso, la soluzione consiste nel suddividere i carichi su più circuiti protetti da RCD.

Conclusione: La protezione dalle dispersioni di terra è una priorità

Dalla tragica storia che apre questa guida alle complessità tecniche del suo funzionamento, il messaggio è chiaro: protezione da dispersione a terra è un pilastro irrinunciabile della moderna sicurezza elettrica. È l'unica tecnologia specificamente progettata per proteggere la vita umana dal pericolo silenzioso e invisibile delle piccole correnti di guasto a terra. Gli RCD e gli RCBO non sono semplici componenti di un circuito stampato, ma guardiani vigili pronti ad agire in pochi millisecondi per evitare che un guasto si trasformi in una fatalità.

In qualità di professionisti, la vostra responsabilità va oltre l'installazione e si estende alla difesa e all'educazione. Ciò significa esortare i clienti e i colleghi a testare regolarmente i loro RCD: una semplice pressione mensile del pulsante “T” o “Test” è la prassi migliore per assicurarne il funzionamento. Significa insistere sul tipo di dispositivo corretto per il carico e non fare mai sconti. E soprattutto, significa ribadire che la scelta, l'installazione e la risoluzione dei problemi di questi dispositivi salvavita devono sempre essere eseguite da un elettricista qualificato e autorizzato.