ITPR20130060A1 - Dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un'apparecchiatura elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“Dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica”

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica. In particolare, in un sistema a tre fili (fase, neutro e terra) il dispositivo di protezione qui proposto è in grado di garantire la sicurezza da scosse in caso di messa a terra difettosa o mancante, mentre in un sistema a due fili (fase, neutro) è fornita protezione da scosse in caso di dispersioni elettriche verso parti metalliche dell’apparecchiatura elettrica posta a valle. Il dispositivo di protezione trova impiego sia in impianti elettrici monofase che trifase, provvisti o sprovvisti di messa a terra.

Per contatto elettrico indiretto si intende il contatto con parti metalliche che vengono a trovarsi accidentalmente ed imprevedibilmente in tensione a causa di guasti o malfunzionamenti. Ad esempio, un contatto elettrico indiretto può verificarsi qualora vi sia un deterioramento dell’isolamento elettrico di uno o più apparecchi. Secondo la tecnica nota, la protezione dai contatti indiretti si realizza predisponendo un impianto di messa a terra delle masse. Inoltre, a monte degli apparecchi utilizzatori viene installato un interruttore differenziale (comunemente noto come “salvavita”), cioè un dispositivo di sicurezza atto ad interrompere il flusso di corrente verso terra già in presenza di piccole dispersioni. Il salvavita non è in grado di rilevare anomalie o guasti nella messa a terra ed il suo corretto funzionamento, in ottemperanza alle normative vigenti in materia di sicurezza, non può prescindere da un impianto di messa a terra a sua volta correttamente funzionante.

Inoltre, il salvavita è in grado di rilevare differenze di correnti dovute a dispersioni elettriche verso terra, mentre non è in grado di rilevare sovraccarichi di tensione.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è proporre un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

È pertanto scopo del presente trovato rendere disponibile un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, che sia in grado di migliorare la gestione della sicurezza elettrica di impianti già provvisti di salvavita e che sia in grado, in particolare, di prevenire i contatti umani indiretti senza necessità di messa a terra.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, come illustrato negli uniti disegni in cui:

− le figure 1a-1g illustrano altrettante forme realizzative del circuito equivalente semplificato di un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, secondo la presente invenzione;

− la figura 2 illustra il dispositivo di protezione di figura 1a inserito all’interno di un impianto elettrico monofase a tre fili (fase, neutro e massa);

− la figura 3 illustra il dispositivo di protezione di figura 1a inserito all’interno di un impianto elettrico monofase a tre fili sia nella linea di alimentazione a monte degli utilizzatori sia immediatamente a monte dell’utilizzatore medesimo;

− la figura 4 illustra il dispositivo di protezione di figura 1a inserito all’interno di un impianto elettrico monofase a due fili, a monte di alcuni utilizzatori;

− la figura 5 illustra il circuito equivalente di una variante del dispositivo di protezione, secondo la presente invenzione, all’interno di un impianto monofase a tre fili;

− la figura 6 illustra una forma realizzativa dello schema circuitale del dispositivo di protezione inserito all’interno di un impianto elettrico monofase a tre fili, in cui sono stati dettagliati ulteriori componenti.

Con riferimento alle figure, con il numero 1 è stato indicato un dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, in continua e in alternata.

Il dispositivo di protezione 1 comprende una prima rete di impedenze ed una unità di elaborazione 2.

La mancanza o la difettosità della terra o la presenza di dispersioni elettriche verso la parte metallica dell’apparecchiatura viene monitorata rilevando tensioni differenziali tra specifici nodi all’interno della prima rete di impedenze.

Le tensioni differenziali rilevate vengono elaborate dall’unità di elaborazione 2 comprendente ad esempio in un microcontrollore oppure in circuiti integrati analogici o digitali. Ad esempio, l’unità di elaborazione 2 comprende un microprocessore a 10 bit.

L’elaborazione delle tensioni differenziali rilevate consente di verificare la presenza di anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto del tipo a tre fili (fase, neutro, terra). In un impianto del tipo a due fili (fase, neutro), l’elaborazione delle tensioni differenziali rilevate consente invece il rilevamento di una dispersione elettrica verso parti metalliche dell’apparecchiatura elettrica. Ad esempio, il dispositivo di protezione 1 consente il rilevamento di una dispersione avente valore superiore ad una soglia prestabilita. Preferibilmente, la soglia prestabilita può essere variata in funzione dell’applicazione.

In casi di anomalia/mancanza di messa a terra o di dispersione elettrica superiore alla soglia prestabilita, viene immediatamente tolta tensione a monte dell’apparecchiatura (o utilizzatore) in modo tale da evitare il contatto umano con zone in tensione.

È da sottolineare inoltre che l’uscita o le uscite del dispositivo di protezione 1 vengono automaticamente disattivate in caso di guasti nei componenti interni del dispositivo stesso.

In particolare, in un impianto monofase a tre fili, la presenza di dispersioni verso massa superiori alla soglia prestabilita viene rilevata solo all’accensione della linea, mentre la verifica della messa a terra è tenuta costantemente sotto controllo e, in caso di anomalia, viene tolta tensione a valle del dispositivo di protezione 1 in modo tale da evitare il contatto umano con zone in tensione.

In un impianto monofase a due fili, la presenza di dispersioni superiori alla soglia prestabilita è costantemente monitorata e, in caso di anomalia, viene tolta tensione a valle del dispositivo di protezione 1 in modo tale da evitare il contatto umano con zone in tensione.

Nello schema più semplice, illustrato in figura 1a, la prima rete di impedenze comprende un partitore resistivo formato da due resistenze R1, R3 in serie su una prima linea 3 e da due resistenze R2, R4 in serie su una seconda linea 4. A valle della prima rete di impedenze, la prima linea 3 e la seconda linea 4 si raccordano in un nodo comune C.

All’interno della prima rete di impedenze illustrata nella figura 1a vengono rilevate le seguenti tensioni differenziali:

− una prima tensione differenziale VACtra un primo nodo A posto tra le due resistenze R1, R3 in serie sulla prima linea 3 ed il nodo comune C; − una seconda tensione differenziale VBCtra un secondo nodo B posto tra le due resistenze R2, R4 in serie sulla seconda linea 4 ed il nodo comune C.

Preferibilmente, fra le due resistenze R1, R3 in serie sulla prima linea 3 è inserito un primo diodo D1 e fra le due resistenze R2, R4 in serie sulla seconda linea 4 è inserito un secondo diodo D2, come illustrato in figura 1b, che consentono di rilevare perdite equivalenti.

Le figure da 1c a 1g illustrano altre forme realizzative in cui la prima rete di impedenze comprende ulteriori diodi oltre alle quattro resistenze già menzionate. Va evidenziato che si tratta di soluzioni alternative e non limitative e che sono prevedibili anche versioni in cui l’orientamento dei diodi è opposto: in tal caso il funzionamento non cambia, ma ciò che cambia è l’elaborazione dei segnali da parte dell’unità di elaborazione 2. Di seguito si fornisce una descrizione della prima rete di impedenze, con particolare riferimento ad applicazioni in impianti monofase.

Per piccole potenze, il dispositivo di protezione 1 è inseribile nella linea di alimentazione a monte degli utilizzatori. Ad esempio, la figura 2 illustra il dispositivo di protezione di figura 1a inserito all’interno di un impianto 10 monofase con terra, cioè un impianto formato da tre fili (la fase F, il neutro N e la terra GND) e ricevente energia elettrica dall’ente preposto. La distribuzione può avvenire secondo diverse modalità (es. tn-c-s, tn, ecc), che esulano dalla presente trattazione.

Per chiarezza, in figura 2 sono state illustrate anche tre apparecchiature o utilizzatori 20 connessi all’impianto 10.

La prima rete di impedenze comprende un partitore resistivo formato da due resistenze R1, R3 in serie sulla linea di fase F (cioè la prima linea) e da due resistenze R2, R4 in serie sulla linea di neutro N (cioè la seconda linea). A valle della prima rete di impedenze, la linea di fase F e di neutro N si raccordano in un nodo comune C. Il nodo comune C è collegato alla terra GND.

La prima rete di impedenze ha una struttura analoga anche per impiego in un impianto monofase sprovvisto di terra, cioè un impianto formato da due fili: la fase F ed il neutro N (si veda ad esempio la figura 4). In questo caso, ovviamente, il nodo comune C è flottante proprio perché manca la terra.

Nelle forme realizzative descritte ed illustrate nelle figure da 1a a 1f, all’interno della prima rete di impedenze vengono rilevate le seguenti tensioni differenziali:

− una prima tensione differenziale VACtra un primo nodo A posto tra le due resistenze R1, R3 in serie sulla fase F ed il nodo comune C tra la fase F ed il neutro N;

− una seconda tensione differenziale VBCtra un secondo nodo B posto tra le due resistenze R2, R4 in serie sul neutro N ed il nodo comune C tra la fase F ed il neutro N.

Negli esempi qui descritti ed illustrati, i valori delle due resistenze R1, R3 in serie sulla fase F rispecchiano le due resistenze R2, R4 in serie sul neutro N. Ad esempio, per la prima resistenza R1, R2 di ciascuna delle due serie è scelto un valore superiore a 1 MOhm in modo tale da rilevare correnti di dispersione inferiori a 0.25 mA. Ad esempio, per la seconda resistenza R3, R4 delle due serie viene invece scelto un valore pari a 1/9 del valore della prima resistenza. È chiaro che variando i valori delle resistenze, varia la sensibilità di rilevamento delle correnti di dispersione, tuttavia il principio di funzionamento è il medesimo.

Nella figura 1g, all’interno della prima rete di impedenze vengono rilevate quattro tensioni differenziali relative come si può comprendere facilmente guardando lo schema circuitale.

Al fine di potenziare la sicurezza, è consigliabile predisporre un dispositivo di protezione 1 per ogni punto di presa al quale è collegato l’utilizzatore 20, come illustrato nella figura 3.

Preferibilmente ma non necessariamente, il dispositivo di protezione 1 comprende inoltre una seconda rete di impedenze atta a verificare l’isolamento elettrico delle linee di fase e/o del neutro verso massa, per impiego in impianti a tre fili e solo in caso di riaccensione della linea. La funzionalità aggiuntiva offerta dalla seconda rete si rivela utile ad esempio dopo un primo intervento del salvavita. La seconda rete di impedenze si trova a monte della prima rete di impedenze rispetto al flusso di corrente. Ad esempio, in un impianto monofase, la seconda rete di impedenze consiste in un partitore resistivo formato da due resistenze RF, RN poste tra la fase F ed il neutro N. Preferibilmente, le due resistenze RF, RN hanno valori maggiori o uguali a 200 KOhm.

Ciò è visibile chiaramente nella figura 5 per impianto monofase a tre fili. Le caratteristiche e la struttura della prima rete di impedenze sono analoghe anche per applicazioni in impianti trifase.

In un impianto monofase o trifase con messa a terra, il dispositivo di protezione 1 è inseribile a valle dell’interruttore differenziale o salvavita. In un impianto monofase o trifase privo di messa a terra, occorre collegare la massa del dispositivo di protezione 1 alla massa dell’apparecchiatura elettrica (cosiddetta “massa virtuale”).

In figura 6, è illustrato più nel dettaglio un impianto elettrico monofase con messa a terra, il quale comprendente un trasformatore T1 ed è provvisto del dispositivo di protezione 1 qui proposto. Come si può notare, il dispositivo di protezione 1 comprende preferibilmente un fusibile F1 posto tra la linea di fase F ed il neutro N con lo scopo di proteggere il primario del trasformatore T1 da eventuali sovratensioni. La prima rete di impedenze è formata da quattro resistenze R1, R2, R3, R4, due diodi D1, D2 e due condensatori C1, C2. La seconda rete di impedenze è formata da una singola resistenza R5. In particolare, la singola resistenza R5 della seconda rete è posta a cavallo tra un primo ingresso VF ed un secondo ingresso VN dell’unità di elaborazione 2 in modo tale da regolare il massimo valore positivo in tali ingressi VF, VN.

Durante il funzionamento regolare (assenza di guasti), la tensione al primo ingresso VF è positiva rispetto alla terra GND e la tensione al secondo ingresso VN è di qualche decina di mV rispetto alla terra GND. In presenza di guasti o anomalie (ad esempio rottura della messa a terra), il primo ingresso VF ed il secondo ingresso VN scendono a 0 Volt. L’unità di elaborazione 2 entra quindi in gioco per disabilitare le uscite dell’apparecchiatura. Nel caso di specie, viene disabilitata una uscita OUT dell’unità di elaborazione 2 atta a pilotare due relè K1, K2. Preferibilmente, il dispositivo di protezione 1 comprende inoltre due relè di emergenza (non illustrati) al fine di aumentare la sicurezza in caso di guasti o anomalie a monte del dispositivo, per mancanza o difetto di messa a terra. In sistemi modulari, al posto dei relè possono essere previsti contatti di potenza servo azionati allo sgancio.

Successivamente, il dispositivo di protezione 1 può essere riarmato manualmente oppure automaticamente dopo aver scollegato l’apparecchiatura a valle. Preferibilmente, il riarmo è previsto al massimo per due volte consecutive: qualora vi fossero ulteriori anomalie sarebbero necessari interventi di manutenzione in quanto con tutta probabilità si tratterebbe di guasti permanenti o di grave natura.

Per grandi potenze, il dispositivo di protezione 1 è inseribile in un quadro elettrico e i relè sono atti a pilotare interruttori generali o contattori di potenza.

Come già detto sopra, le caratteristiche, la struttura ed il funzionamento del dispositivo di protezione 1 sono stati qui descritti in modo dettagliato per applicazioni in impianti monofase, ma analoghe considerazioni possono essere ripetute per applicazioni in impianti trifase.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo di protezione da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

In particolare, grazie al rilevamento e all’elaborazione delle tensioni differenziali in alcuni nodi della prima rete di impedenze, il dispositivo è in grado di proteggere da scosse elettriche dovute ad anomalie nella messa a terra o al contatto indiretto con masse metalliche di apparecchiature elettriche.

In applicazioni con impianti a tre fili, il dispositivo di protezione consente di migliorare la gestione della sicurezza elettrica dell’impianto provvisto di salvavita in quanto è in grado di rilevare anomalie nella messa a terra (es. tensioni pericolose anche al di sotto di 50 Volt, terra mancante o valori eccessivi), intervenendo prima del contatto umano. Ciò è ancor più apprezzabile negli impianti obsoleti, che sono sprovvisti di messa a terra (classico impianto a due fili, cioè fase e neutro), in quanto il dispositivo di protezione interviene immediatamente in presenza di una dispersione elettrica verso le parti metalliche dell’apparecchiatura.

Inoltre, poiché il cuore del dispositivo di protezione è formato da una semplice rete di impedenze (la prima rete di impedenze) e dall’unità di elaborazione, ne discendono la sua semplicità e compattezza. Pertanto, il dispositivo è di facile installazione sia in impianti progettati ex-novo sia in impianti preesistenti, in ambito civile o industriale, ad esempio in abitazioni, scuole, ospedali, officine, impianti di illuminazione stradale, ecc. A solo titolo di esempio, il dispositivo di protezione può trovare impiego nell’impianto di un condominio, ad esempio collegandolo a tubazioni o parti metalliche per cui è in grado salvaguardare la sicurezza elettrica evitando il contatto umano con parti accidentalmente in tensione, funzionalità che il salvavita da solo non può svolgere. In altre parole, il dispositivo di protezione interviene prima del contatto umano con zone accidentalmente in tensione, salvaguardando l’incolumità degli utenti di un impianto elettrico. Invece, il salvavita interviene dopo, cioè quando l’utente contatta le zone in tensione, quindi non è in grado di prevenire scosse dovute ad anomalie/mancanze di messa a terra o da dispersioni.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di protezione (1) da anomalie o guasti nella messa a terra di un impianto o da dispersioni elettriche verso parti metalliche in un’apparecchiatura elettrica, comprendente: una prima rete di impedenze; una unità di elaborazione (2) atta a ricevere in ingresso tensioni differenziali rilevate tra specifici nodi di detta prima rete di impedenze e a pilotare detta apparecchiatura elettrica, detta unità di elaborazione (2) essendo configurata per disabilitare il pilotaggio dell’apparecchiatura elettrica in presenza di valori delle tensioni differenziali indicanti anomalie o guasti nella messa a terra e/o dispersioni elettriche di valore superiore ad una soglia prestabilita in modo tale da intervenire prima del contatto umano con zone accidentalmente in tensione.
2. 2. Dispositivo di protezione (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta prima rete di impedenze comprende un partitore resistivo formato da due resistenze (R1, R3) in serie su almeno una prima linea (3, F) e da due resistenze (R2, R4) in serie su una seconda linea (4, N).
3. 3. Dispositivo di protezione (1) secondo la rivendicazione 2, in cui la prima resistenza (R1, R2) di ciascuna delle due serie di resistenze ha un valore superiore a 1 MOhm.
4. 4. Dispositivo di protezione (1) secondo la rivendicazione 3, in cui la seconda resistenza (R3, R4) di ciascuna delle due serie di resistenze ha un valore pari a 1/9 del valore di detta prima resistenza (R1, R2).
5. 5. Dispositivo di protezione (1) secondo le rivendicazioni da 2 a 4, in cui fra le due resistenze (R1, R3) in serie sulla prima linea (3) è inserito un primo diodo (D1) e fra le due resistenze (R2, R4) in serie sulla seconda linea (4) è inserito un secondo diodo (D2).
6. 6. Dispositivo di protezione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di elaborazione (2) comprende un microcontrollore.
7. 7. Dispositivo di protezione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una seconda rete di impedenze atta a verificare l’isolamento elettrico di almeno una linea di fase e di una linea di neutro verso massa.
8. 8. Dispositivo di protezione (1) secondo la rivendicazione 7, in cui detta seconda rete di impedenze consiste in un partitore resistivo formato da due resistenze (RF, RN) poste tra detta almeno una prima linea (3, F) ed detta seconda linea (N).