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Elettrotecnica

 

Gruppi generatori statici di energia in B.T. (UPS) - seconda parte

La protezione contro i contatti indiretti per un guasto a valle dell’UPS è piuttosto complessa e dovrebbe essere opportunamente coordinata per garantire la necessaria continuità di servizio. In relazione al tipo di sistema elettrico (TN, TT, IT) le protezioni da adottare possono essere diverse per cui è necessario innanzitutto stabilire, in considerazione del sistema di alimentazione primario, a quale sistema elettrico ci si può ricondurre nelle varie condizioni di funzionamento.

In base alla condizione del neutro, che può essere isolato (fig. 7.1) o passante (fig. 7.2), si possono individuare due tipi

           

fondamentali di UPS per i quali occorre, con riferimento alle condizioni di funzionamento sopra descritte, fare alcune distinzioni.

Gestione neutro e terra in condizioni di funzionamento UPS con neutro passante

Quanto di seguito indicato potrà essere applicato sia ai sistemi TT (fig. 7.3) sia ai sistemi TN (fig. 7.4) purché l'UPS sia protetto almeno con un dispositivo differenziale installato a monte. Come sappiamo nei sistemi TN gli interruttori differenziali non sono indispensabili e possono essere sostituiti da dispositivi di protezione contro le sovracorrenti. In questo caso però è necessario verificare che i dispositivi di protezione intervengano nei tempi stabiliti dalla Norma CEI 64-8 per un guasto a terra.

 

Le utenze possono essere alimentate dall’UPS:

  • direttamente dalla rete o tramite inverter;
  • dalla batteria indipendentemente dalla rete (in isola).

Quando le utenze sono alimentate in isola il neutro può essere presente o interrotto è, in quest’ultimo caso, il sistema a valle dell’UPS si traduce in un IT.

Nei sistemi IT il primo guasto verso terra deve essere rilevato mediante un dispositivo di controllo dell’isolamento mentre per il secondo guasto verso terra, che deve essere interrotto, è riconosciuto l’uso di un dispositivo contro le sovracorrenti o di un dispositivo differenziale (nei sistemi IT deve essere soddisfatta la condizione : RExId minore o uguale a 50 e in caso di primo guasto verso terra non è richiesta l’interruzione automatica del circuito vista l’esiguità della corrente Id che viene limitata dall’alta impedenza verso terra del sistema).

La presenza dell’UPS rende però problematico l’utilizzo di un dispositivo contro le sovracorrenti essendo la corrente di secondo guasto fortemente limitata dall’impedenza dell’UPS stesso perciò gli unici dispositivi che in pratica possono essere impiegati sono gli interruttori differenziali.

Questi provvedimenti dovrebbero essere adottati per tutti i sistemi IT ma il sistema in questione può alimentare le utenze solo per un tempo limitato che dipende dall’autonomia delle batterie e i circuiti sono poco estesi. Si può configurare quindi il caso di un sistema IT temporaneo che, vista la breve durata di funzionamento e la bassa probabilità che si manifesti un primo guasto a terra, non giustifica l’impiego di un dispositivo di controllo dell’isolamento. Le masse sono collegate a terra (il collegamento a terra si rende necessario nel funzionamento con alimentazione dalla rete) ed è soddisfatta la condizione REId minore o uguale a 50 perché, essendo limitata l’estensione dei circuiti, la corrente capacitiva di primo guasto a terra è molto piccola.

In ogni caso il primo guasto a terra non è pericoloso ed è basso anche il rischio che si manifesti, per il breve tempo di funzionamento, un secondo guasto a terra. In ogni caso un doppio guasto a terra determina un cortocircuito che provoca entro pochi decimi di secondo lo scollegamento dell’inverter. In questo breve periodo di tempo non dovrebbero esserci pericoli per la persona che tocca entrambi gli apparecchi soggetti a guasto perché la caduta di tensione sui conduttori di protezione è limitata dal basso valore della corrente di cortocircuito.

Se l’UPS che alimenta i circuiti privilegiati è di tipo on-line (con l’UPS in funzionamento off-line l’alimentazione dei carichi privilegiati avviene direttamente attraverso la linea e solo in caso di interruzione l’UPS commuta l’alimentazione ma se il neutro è passante valgono le stesse considerazioni) a neutro passante si possono presentare i seguenti modi di funzionamento:

  • Funzionamento normale alimentazione tramite inverter - Il carico è alimentato tramite l’inverter con il neutro in uscita collegato elettricamente con il neutro della rete a monte. In seguito ad un guasto a massa sul carico o a monte dell'UPS interviene il dispositivo di protezione contro i contatti indiretti. Con le protezioni a monte intervenute e il neutro interrotto ci si ritrova in una condizione di funzionamento in emergenza, le utenze sono alimentate in isola dalla batteria e il sistema diventa un IT.

    Alimentazione diretta dalla rete attraverso il commutatore statico – Si tratta di un funzionamento temporaneo dovuto ad un guasto sull’inverter o ad un sovraccarico prolungato. Interviene l’interruttore statico e l’alimentazione è ottenuta direttamente dalla rete. Il neutro non è interrotto, gli utilizzatori a valle dell’UPS hanno le masse collegate a terra e il dispositivo di protezione installato a monte garantisce la protezione contro i contatti indiretti. Anche in questo caso con le protezioni a monte intervenute ci si ritrova nella condizione di funzionamento in emergenza, le utenze sono alimentate dalla batteria e il sistema diventa un IT.

    Funzionamento in emergenza per mancanza di alimentazione sul primario del trasformatore di proprietà dell’ente distributore, ma con neutro ininterrotto sul secondario dello stesso - Le utenze sono alimentate in isola dalla batteria, il neutro non è interrotto e le masse sono collegate all’impianto di terra perciò il sistema di distribuzione, TT o TN, non cambia. Se a causa di un guasto interviene il dispositivo di protezione posto a monte e il neutro viene interrotto il sistema si traduce in un IT temporaneo.

    Funzionamento in emergenza per intervento delle protezioni poste a monte o per apertura manuale dell’interruttore generale con interruzione dei conduttori di fase e del neutro - Le utenze sono alimentate in isola dalla batteria. Il neutro viene interrotto ed il sistema si traduce in un IT temporaneo.

Gestione neutro e terra nelle condizioni di funzionamento con neutro isolato

Nei sistemi a neutro passante, che sono i sistemi più diffusi, le correnti di guasto ad UPS funzionante possono chiudersi sulla terra di cabina facendo intervenire, come si è visto, i dispositivi di protezione posti a monte; anche quando manca la rete a causa di un’interruzione sulla media tensione (per segnalarne l’intervento e permettere all’utente di rendersi conto dell’accaduto e riarmare l’interruttore differenziale prima del ritorno dell’alimentazione in rete, li si potrebbe dotare di un contatto che azioni un allarme ottico-acustico).

Per evitare questo inconveniente, nei casi in cui sia richiesta una particolare continuità nel servizio, si potrebbero impiegare UPS a neutro isolato adottando i seguenti accorgimenti:

  • Sistema originario di alimentazione TT e sistema TN sull’UPS (fig 7.5)
    Si ottiene un sistema TN locale sull’UPS cavallottando il neutro con il PE. In caso di guasto si provoca un cortocircuito che si richiude sull’UPS senza interessare il dispersore locale. L’interruttore a monte non può intervenire per guasti che avvengono a valle dell’UPS che deve quindi possedere un suo interruttore in grado di interrompere il guasto verso terra. Le caratteristiche d’intervento di tale interruttore devono essere coordinate rispetto all’anello di guasto che si richiude sull’UPS.

  • Sistema originario di alimentazione TN e sistema TN sull’UPS (fig. 7.6)
    Analogamente a quanto indicato nel caso precedente occorre un cavallotto tra neutro e PE sull’uscita dell’UPS. Il comportamento di un guasto verso terra e le relative protezioni da adottare sono identiche al caso precedentemente descritto.

 

UPS con neutro passante: soluzioni per la protezione contro i contatti indiretti

La protezione contro i contatti indiretti prevede per il sistema TT l’impiego di dispositivi differenziali che vanno bene anche nei sistemi TN ma che, come abbiamo detto, è possibile sostituire con dispositivi magnetotermici (anche se non è sempre facile ottenere il coordinamento necessario a far intervenire il dispositivo nei tempi stabiliti dalla norma).

Di seguito, per semplificare lo studio del problema, si presume l’impiego di dispositivi differenziali sia per i sistemi TT sia per i sistemi TN e, anche se le soluzioni al problema possono essere applicate indifferentemente ad ambedue i sistemi, si propongono per maggior chiarezza gli schemi relativi ad ogni tipo di sistema.

UPS in funzionamento on-line

Nelle figure 7.7 e 7.8 un guasto a terra su un apparecchio, determina l'intervento del solo dispositivo di protezione sul circuito guasto, selettivo rispetto a quello installato a monte, mentre gli altri circuiti continuano a funzionare regolarmente.

 

L’UPS che continua ad essere alimentato attraverso la rete alimenta in modo regolare e per un tempo indefinito i carichi. Se il guasto avviene a monte dell’UPS si determina invece l’intervento del dispositivo a monte e i carichi vengono alimentati in isola tramite un sistema IT temporaneo.

Fig. 7.7: Sistema TT - In caso di guasto, se il dispositivo differenziale a monte è selettivo rispetto ai dispositivi a valle, interviene il solo interruttore differenziale interessato dal guasto mentre gli altri dispositivi mantengono l’alimentazione alle altre utenze.
Fig. 7.8: Sistema TN - In caso di guasto, se il dispositivo differenziale a monte è selettivo rispetto ai dispositivi a valle, interviene il solo interruttore differenziale interessato dal guasto mentre gli altri dispositivi mantengono l’alimentazione alle altre utenze.

Nelle figure 7.9 e 7.10 gli interruttori differenziali a monte sono due, uno sulla linea di alimentazione principale uno sulla linea di alimentazione dell’interruttore statico inserito a monte del dispositivo di protezione principale.

 

In caso di guasto a terra interviene il solo interruttore installato sull’interruttore statico mentre le utenze continuano ad essere alimentate in modo regolare. Il sistema però si è trasformato in un IT temporaneo perché il neutro è stato interrotto a causa dell’apertura del circuito ad opera dell’interruttore sul commutatore statico.

La continuità di servizio è garantita ma non si può più usufruire del vantaggio fornito dall’interruttore statico nel caso si manifestasse, nel periodo di tempo in cui si ha l’interruzione della linea dell’interruttore statico, un sovraccarico o un cortocircuito. Un guasto a monte dell’UPS può determinare l’intervento delle protezioni e l’alimentazione in isola dei carichi tramite un sistema IT temporaneo.

Fig. 7.9: Sistema TT - In caso di guasto interviene il solo interruttore differenziale inserito sulla linea dell’interruttore statico ma i carichi continuano ad essere alimentati. Il guasto permane ma non è pericoloso perché il neutro è interrotto ed il sistema è diventato un IT temporaneo.
Fig. 7.10: Sistema TN - In caso di guasto interviene il solo interruttore differenziale inserito sulla linea dell’interruttore statico ma i carichi continuano ad essere alimentati. Il guasto permane ma non è pericoloso perché il neutro è interrotto ed il sistema è diventato un IT temporaneo.

Nella figure 7.11 e 7.12 la protezione contro i contatti indiretti è ottenuta mediante un solo interruttore differenziale a monte.

   

A causa di un guasto a terra a monte o a valle dell’UPS interviene il dispositivo differenziale ed il carico viene alimentato in isola per un tempo che dipende dall’autonomia delle batterie. Il sistema diventa un IT temporaneo perché il neutro è interrotto a causa dell’apertura dell’interruttore sulla linea di alimentazione principale.

L’UPS potrebbe funzionare in isola anche per mancanza di alimentazione dovuta ad una interruzione in media tensione ma con il neutro ininterrotto perché il circuito di bassa tensione è chiuso. In questo caso il sistema originario, TT o TN, si mantiene e un guasto a terra su di un apparecchio a valle dell’UPS può essere ancora rilevato dal dispositivo di protezione inserito a monte dell’UPS. Ad interruttore intervenuto il sistema, essendosi a questo punto interrotto il neutro, si trasforma in IT temporaneo e gli utilizzatori vengono alimentati in isola per il tempo di autonomia della batteria (fig. 7.13).

Fig. 7.11: Sistema TT - In caso di guasto interviene l’ interruttore differenziale inserito sulla linea di alimentazione dell’UPS . I carichi continuano ad essere alimentati per un tempo che dipende dall’autonomia delle batterie. Il guasto permane ma non è pericoloso perché il neutro è interrotto ed il sistema è diventato un IT temporaneo.
Fig. 7.12: Sistema TN - In caso di guasto interviene il dispositivo differenziale inserito sulla linea di alimentazione dell’UPS . I carichi continuano ad essere alimentati per un tempo che dipende dall’autonomia delle batterie. Il guasto permane ma non è pericoloso perché il neutro è interrotto ed il sistema è diventato un IT temporaneo.
Fig. 7.13: Sistema TT - Un guasto a terra a valle dell’UPS è rilevato dal dispositivo di protezione anche quando manca l’alimentazione a causa di un’interruzione sulla media tensione purché non sia interrotto il circuito sulla bassa tensione.


UPS con funzionamento off-line

Se i carichi sono alimentati direttamente dalla rete con l’UPS con funzionamento off-line l’interruttore differenziale inserito a monte interviene comunque per un guasto a terra a valle dell’UPS (fig. 7.14 e 7.15).

   

Fig. 7.14: Sistema TT – Un guasto sul carico a valle dell’UPS in funzionamento off-line determina l’intervento del dispositivo differenziale installato a monte
Fig. 7.15: Sistema TN – Un guasto sul carico a valle dell’UPS in funzionamento off-line determina l’intervento del dispositivo differenziale installato a monte

 

UPS con neutro isolato: soluzioni per la protezione da contatti indiretti

Se il neutro proveniente dalla rete è isolato mediante un trasformatore fondamentalmente occorre distinguere fra due casi:
  • Il trasformatore non è di isolamento oppure i circuiti sono molto estesi. Il sistema in uscita può essere indifferentemente ricondotto ad un TT,TN o IT. Il sistema IT è consigliabile per garantire una certa continuità del servizio e deve essere dotato di un controllore dell’isolamento perché non può essere considerato un IT temporaneo;
  • Il trasformatore è di isolamento e i circuiti sono poco estesi. Può essere applicato il metodo di protezione per separazione elettrica con le masse interconnesse fra loro ma non a terra.

UPS senza trasformatore interno:soluzioni per protezione da contatti indiretti

I piccoli UPS generalmente sono sprovvisti di trasformatore interno.

Se si manifesta un guasto a terra intervengono i dispositivi di protezione dell’impianto di alimentazione.

In caso di funzionamento in emergenza l’UPS alimenta le utenze in isola con un sistema che temporaneamente agisce come un IT.

I circuiti sono poco estesi e quindi la corrente capacitiva di primo guasto a terra Id è molto piccola e la nota condizione RE non superiore a 50/Id è facilmente soddisfatta.

Il breve tempo di funzionamento consente anche di omettere il dispositivo di controllo dell’isolamento che invece è normalmente necessario nei sistemi di tipo IT.

Correnti di dispersione

Gli UPS, a causa della presenza di filtri verso terra, possono manifestare una elevata corrente di dispersione. Relativamente al tipo di collegamento alla rete di alimentazione tali apparecchiature si dividono in due gruppi, tipo A se dotate di spina di tipo domestico o similare, tipo B se dotate di spina di tipo industriale o se collegate direttamente alla rete.

Gli apparecchi appartenenti al tipo A presentano correnti di dispersione a terra inferiore a 3,5 mA mentre quelli appartenenti al tipo B possono avere correnti di dispersione superiori a 3,5 mA.

Per questi apparecchi è determinante, ai fini della sicurezza, il collegamento a terra dell’apparecchio perché in mancanza di tale collegamento la persona può essere attraversata da una corrente pericolosa anche in assenza di un guasto verso terra.

Per questo motivo gli apparecchi di tipo B devono riportare, in prossimità del collegamento alla rete di alimentazione IN c.a., un’etichetta con stampigliate parole simili alle seguenti: “ATTENZIONE ELEVATA CORRENTE DI DISPERSIONE - COLLEGAMENTO A TERRA INDISPENSABILE PRIMA DI COLLEGARSI ALL’ALIMENTAZIONE”.

La corrente efficace sul conduttore di protezione non deve comunque essere superiore al 5% della corrente di ingresso per fase, in condizioni di funzionamento normale (se il carico è sbilanciato, per questo calcolo si deve usare la più elevata delle tre correnti di fase), e se supera i 10 mA devono essere approntate adatte misure di sicurezza come prescritto dalle norme CEI 64-8/7 e 74-2:

  • sorveglianza dell’efficienza del conduttore di protezione
  • alimentazione mediante trasformatore con avvolgimenti separati
  • conduttore di protezione ad elevata affidabilità:
    • se il conduttore di protezione non fa parte del cavo di alimentazione deve possedere una sezione non inferiore a 10 mm2 oppure devono essere impiegati due conduttori in parallelo con sezione non inferiore a 4 mm2 ;
    • se il conduttore di protezione fa parte del cavo di alimentazione e la somma delle sezioni dei conduttori di fase, di neutro e di protezione è uguale o maggiore di 10 mm2, il conduttore di protezione deve avere una sezione non inferiore a 2,5 mm2.

Considerazioni sull’uso degli interruttori differenziali

Gli UPS sono dotati di filtri di ingresso con correnti di dispersione che devono essere compatibili con la corrente nominale Idn dell’interruttore differenziale, altrimenti la Idn deve essere scelta di valore più elevato.

L’interruttore differenziale dovrà essere scelto di tipo B che è in grado di rilevare tutte le possibili correnti di guasto verso terra compresi i guasti interni all’UPS. Nel caso che nessun tipo di interruttore differenziale fosse sensibile alle correnti con componenti continue che possono essere fornite dagli UPS devono essere presi opportuni provvedimenti alternativi come ad esempio interruzione dei guasti a terra mediante interruttori magnetotermici, doppio isolamento o separazione elettrica ove possibile.

Quando nessuno dei provvedimenti appena indicati fosse realizzabile e quando il dispositivo di protezione non fosse in grado di intervenire nei tempi previsti (ad esempio quando si utilizza un interruttore magnetotermico), si devono realizzare i collegamenti equipotenziali supplementari che devono interessare tutte le masse e le masse estranee simultaneamente accessibili che sono alimentate dall’ UPS. In ogni caso la massima corrente di guasto a terra possibile non deve generare fra le masse e le masse estranee accessibili tensioni superiori a 50 V.

Tensioni residue dovute alla presenza di condensatori

La carica elettrica immagazzinata nei condensatori presenti nell’’UPS non deve essere di pericolo per le persone.

Per questo i condensatori con capacità maggiore di 0,1 microfarad devono essere dotati di resistenze di scarica con una costante di tempo inferiore a 1 s per gli UPS di tipo A 10 s per quelli di tipo B.