Quando e perché la presa interbloccata è necessaria?

Le prese a spina associate a un apparecchio di manovra e dotate di un dispositivo di interblocco, ovvero le prese interbloccate, sono ampiamente normate e prescritte.

Un’interpretazione di prescrizioni del vecchio D.P.R. 547/55 da tempo abrogato[1], ne ha probabilmente anche aiutato la diffusione, ma non sempre seguendo una logica ferrea.

Le norme non possono che prescrivere soluzioni disponibili sul mercato; sarebbe inutile anzi dannoso prescrivere qualcosa di teorico, ma infattibile. Le prese sono state disponibili per lungo tempo, in versione interbloccata ma solo fisse, recentemente invece si sono rese disponibili anche prese mobili interbloccate.

Superata l’annosa necessità di interpretare correttamente vecchi disposti legislativi e verificata la disponibilità sul mercato di nuove soluzioni, al progettista e all’installatore rimane sempre il problema di individuare:

  • gli ambiti nei quali ad oggi le norme tecniche prescrivono l’utilizzo delle prese interbloccate;
  • le condizioni in cui la mancanza di interblocco sulle prese conducono, indipendente da tutto, a situazioni di pericolo per le persone.

Per rispondere a queste domande, sono state analizzate la funzione dell’interblocco oltre alle principali norme tecniche di interesse e sono state condotte, presso l’Istituto Nazionale Galileo Ferraris a Torino, alcune prove sperimentali.

Istituto Nazionale Galileo Ferraris a Torino.

Presa interbloccata

Una presa interbloccata, così come definita dalla Norma CEI EN 60309-4 è un particolare tipo di presa associata a un apparecchio di manovra fisicamente connesso con un blocco meccanico che ne impedisce la chiusura qualora la spina non sia inserita nella presa; il blocco meccanico, inoltre, impedisce l’estrazione della spina quando l’apparecchio di manovra è in posizione di chiuso.

In questo modo le manovre di inserzione della spina nella presa e di estrazione della spina dalla presa possono avvenire solamente con la presa fuori tensione (a vuoto). In altri termini, all’inserzione della spina e all’estrazione della spina si stabilisce e si interrompe una corrente nulla.

La Norma di prodotto CEI EN 60309-4 fissa i requisiti minimi che questo tipo di prese deve garantire e le relative prove; in particolare, prescrive che:

  • l’apparecchio di manovra associato sia conforme alla Norma CEI EN 60947-3 e abbia categoria di utilizzazione almeno AC-22A[2];
  • il dispositivo di interblocco impedisca che i contatti della presa e della spina stabiliscano o interrompano un circuito in tensione;
  • la presa e l’apparecchio di manovra associato siano in grado di resistere ad una corrente di cortocircuito presunta almeno di 10 kA.

L’interblocco non serve a evitare contatti diretti nella manovra della presa a spina, perché questa deve essere per costruzione tale da impedire i contatti diretti (Norme CEI EN della serie 60309 relative alla costruzione delle prese a spina), ma per evitare gli effetti dell’arco elettrico che si produce nello stabilire e interrompere la corrente, inserendo e disinserendo la spina nella presa sotto carico o su un circuito guasto.

Nello stabilire o interrompere una corrente nel contatto tra spina e presa si forma infatti un arco che può provocare l’emissione all’esterno di gas, fumi e particelle incandescenti con possibili danni a carico di chi sta manovrando la spina.

Servizio ordinario e condizioni di sovraccarico

In condizioni di servizio ordinario una spina potrebbe dover stabilire o interrompere correnti fino alla propria corrente nominale o di poco superiori

In condizioni di sovraccarico la corrente può essere più elevata di quella in servizio, un buon esempio per rappresentare il limite superiore della corrente di sovraccarico può essere un motore asincrono a rotore bloccato che assorbe una corrente fino a sei, sette volte la propria corrente nominale.

Prove eseguite in laboratorio hanno dimostrato che per correnti alternate fino a 70-80 A non si manifestano danni alle mani dell’operatore nel manovrare prese a spina ad uso civile e industriale, anche se le operazioni vengono eseguite molto lentamente[3].

Pertanto, viste le correnti nominali delle maggior parte delle prese, con poche eccezioni non si manifestano condizioni particolari di pericolo all’atto di stabilimento o apertura di una corrente di servizio ordinario o di sovraccarico.

Cortocircuito

Una corrente di cortocircuito è interrotta dal dispositivo di protezione (fusibile o interruttore automatico) entro il tempo previsto dalla caratteristica d’intervento. L’energia d’arco che si sviluppa al contatto dipende:

  • dal valore della corrente interrotta;
  • dal tipo di protezione presente nel circuito che alimenta la presa;
  • dalla velocità con cui avviene la chiusura o l’apertura del circuito: tanto maggiore è la velocità, tanto minore è il tempo per cui perdura l’arco e dunque tanto più piccola sarà l’energia d’arco.

I tempi di apertura o chiusura sono tipici di ciascun modello e non variano con l’eventuale velocità di esecuzione della manovra in caso di chiusura manuale. L’arco si sviluppa in un volume controllato e appositamente pensato per quello scopo.

Assunto che l’apertura di un cortocircuito attraverso la manovra manuale di un sistema presa-spina riveste scarso interesse pratico[4], viceversa nel caso in cui lo stabilimento avvenisse ad opera di una persona che chiudesse su un cortocircuito un sistema presa/spina non interbloccata si può affermare che:

  • la velocità di chiusura è variabile e determinata dalla persona stessa;
  • l’arco si sviluppa in un volume libero.

rimanendo invariate le altre considerazioni riportate per il caso del dispositivo di protezione.

Da notare che in presenza di interblocco l’eventuale stabilimento della corrente di cortocircuito avviene nell’apparecchio di manovra di bordo e quindi a opera di un dispositivo progettato allo scopo.

Esperienze sperimentali

Per determinare l’effettiva pericolosità per una persona nel manovrare una presa con o senza interblocco in condizioni di cortocircuito sono state condotte delle prove nel laboratorio di cortocircuito del “INRiM” – Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (ex Galileo Ferraris) di Torino (Figura 1).

Figura 1 – Circuito di prova utilizzato presso l’istituto INRIM di Torino (estratto dalla norma CEI EN 60947-1, figura 6).

Dal momento che precedenti esperienze hanno dimostrato essere più pericolose le prese mobili rispetto a quelle fisse, tutte le prove sono state condotte su prese a spina mobili.

Nel caso di prese prive di interblocco, la spina in cortocircuito è stata inserita nella presa per mezzo di un attuatore pneumatico lineare appositamente costruito (velocità di inserzione circa 0,1 m/s) in modo da simulare l’operazione di inserzione da parte di una persona (Figura 2). Non è questa la condizione più sfavorevole, ai fini dell’energia d’arco, che corrisponde a velocità di inserzione zero della spina nella presa (prova statica), ma è quella che si è ritenuto meglio simulasse la realtà.

Figura 2 – Set-up della prova di chiusura su cortocircuito delle prese mobili prive di interblocco.

Nel caso di prese dotate di interblocco la spina in cortocircuito è stata inserita nella presa prima dell’avvio della prova e la chiusura del circuito è stata ottenuta operando per mezzo di un rimando meccanico sull’apparecchio a comando rotativo situato a bordo della presa in modo da mantenere gli operatori alla prescritta distanza di sicurezza (Figura 3).

Figura 3 – Set-up della prova di chiusura su cortocircuito delle prese mobili interbloccate.

Per evidenti motivi in nessuna delle prove è stato possibile utilizzare il sincronizzatore del circuito del laboratorio a monte della presa in modo che l’istante di inizio della corrente di cortocircuito rispetto alla fase della tensione di alimentazione corrispondesse alle condizioni più sfavorevoli.

Durante la prova sono state effettuate riprese video ad alta risoluzione e fps (dai quali sono state tratte le fotografie di questo articolo) e registrati i tracciati della tensione d’arco e della corrente di cortocircuito effettiva, ovvero limitata dall’arco. L’energia d’arco nel contatto tra presa e spina è il parametro più significativo nei confronti dei possibili danni all’operatore e veniva automaticamente calcolata dal sistema di acquisizione ed elaborazione dati del laboratorio.

Le prove sono state condotte su prese a spina mobili ad uso industriale con e senza interblocco conformi alle relative norme CEI, con corrente nominale 16 e 32 A 3P+N+T, alla tensione di 420 V trifase, 50 Hz, circa 6 kA valore efficace della corrente di cortocircuito presunta.

La presa dotata di interblocco utilizzata nelle prove aveva categoria di utilizzazione AC23A a 690V[5].

Per tutte le prese considerate le prove sono state ripetute proteggendo il circuito in tre modi diversi:

  1. interruttore automatico 16 e 32 A, 400 V, curva C collocato in prossimità della presa
  2. fusibili aM 16 e 32 A 400 V collocati in prossimità della presa
  3. interruttore automatico di backup con apertura a 300 ms appartenente al circuito di prova del laboratorio di cortocircuito
Figura 4 – Registrazione della corrente e della tensione d’arco nella prova di chiusura su cortocircuito su una presa mobile non interbloccata 32 A (esemplificativo).
Figura 5 – Registrazione della corrente e della tensione d’arco nella prova di chiusura su cortocircuito su una presa mobile interbloccata 32 A (esemplificativo).
Figura 6 – Esito dell’esperienza di chiusura su cortocircuito su una presa mobile non interbloccata 32 A.
Figura 7 – Esito dell’esperienza di chiusura su cortocircuito delle prese mobili interbloccata 32 A.

I risultati ottenuti possono essere sintetizzati qualitativamente come segue:

  • con il circuito protetto dai fusibili o dall’interruttore automatico nei casi A e B dell’elenco precedente, gli effetti dell’energia d’arco sono risultati praticamente trascurabili indipendentemente dalla presenza o meno dell’interblocco
  • nei casi identificati con la lettera C nell’elenco precedente, le manifestazioni meccaniche e termiche d’arco sono risultate pericolose per l’operatore
  • le prese a spina ad uso industriale sono sempre meccanicamente molto robuste per costruzione, ma hanno una geometria tale per cui, in assenza di interblocco, l’arco tra spinotto e alveolo si sviluppa entro una camera chiusa e può dare origine a espulsione violenta dei gas fino ad assumere aspetti esplosivi (Figura 6). La presa resiste al fenomeno esplosivo, ma la violenta espulsione dei gas rende pericolosa la presa a spina ad uso industriale
  • la presenza di interblocco, ovvero lo stabilimento della corrente di cortocircuito per mezzo dell’apparecchio di bordo delle prese mobili anche nei casi identificati con la lettera C nell’elenco precedente, ha notevolmente ridotto le manifestazioni meccaniche e termiche d’arco (Figura 7)
  • in chiusura una presa interbloccata offre funzioni dinamiche superiori a quelle di una presa senza interblocco nella misura in cui delega le funzioni dinamiche all’apparecchio di manovra associato, ereditandone quindi le prestazioni, in particolare tra i propri dati nominali ha infatti anche un valore di potere di chiusura nominale in cortocircuito – Icm (CEI EN 60309-1)
  • la situazione di pericolo può cambiare per una persona che stabilisse una corrente di cortocircuito inserendo nella presa una spina con un cortocircuito a valle della spina stessa piuttosto che agendo sul meccanismo di chiusura di un apparecchio di protezione o di manovra come anche quello a bordo di una presa interbloccata.

Norme tecniche

Gli ambiti in cui l’impiego delle prese interbloccate è prescritto dalle norme tecniche di impianto è  articolato:

  • negli impianti elettrici al servizio di locali di pubblico spettacolo e intrattenimento (Norma CEI 64-8 art. 752.52.4) per il collegamento di apparecchi alimentati tramite cordone prolungatore con cavo flessibile con correnti superiori a 16 A[6];
  • negli impianti elettrici installati in luoghi con pericolo di esplosione[7];
  • negli impianti elettrici a bordo macchina per le combinazioni presa-spina con corrente nominale maggiori o uguali a 30 A[8]; in quest’ambito va anche sottolineato che, indipendentemente dal valore di corrente nominale della prese, la norma CEI EN 60204-1 prevede che le combinazioni presa-spina destinate a essere connesse o disconnesse sotto carico devono avere un sufficiente potere di interruzione; conseguentemente occorre verificare che il circuito da interrompere abbia caratteristiche assimilabili a quelle di prova fissate dalla serie di norme 60309;
  • negli impianti elettrici a servizio di piattaforme fisse o mobili offshore, per tutte le prese a spina o combinazione presa-spina con corrente nominale superiore a 16 A[9].

In tutti gli altri contesti applicativi non vi è un obbligo specifico ma la Norma CEI 64-8 art. 537 richiede comunque che il progettista dell’impianto coordini opportunamente le prestazioni garantite dalle apparecchiature con le sollecitazioni previste e prevedibili, tipiche di quella specifica applicazione, partendo anche da una conoscenza puntuale delle prescrizioni delle norme di prodotto.

La scelta di impiegare prese interbloccate laddove non esiste un obbligo esplicito di una norma tecnica deriva quindi dall’analisi dei requisiti elettrici e meccanici che caratterizzano l’ambiente di utilizzo[10]. L’uso delle prese interbloccate è consigliabile in ambienti gravosi quali:

  • industria meccanica;
  • industria cantieristica;
  • industria chimica e petrolchimica;
  • cantieri edili;
  • settore agricolo e zootecnico.

Oltre al luogo di installazione, che influenza anche la scelta del grado IPXX e IKXX, ulteriori parametri utili per definire i criteri d’impiego di prese interbloccate possono essere:

  • la corrente nominale dell’apparecchio da alimentare (maggiore è la corrente nominale maggiore è anche la corrente di cortocircuito)
  • la tensione nominale di alimentazione
  • il tipo di installazione fissa o mobile. Vale la pena di ricordare che le leggi della fisica che regolano gli archi elettrici non distinguono tra prese fisse e mobili[11] e che prese interbloccate, quando ritenute necessarie, devono essere impiegate sia per applicazioni fisse che mobili.

In linea di massima l’utilizzo o meno delle prese interbloccate deve essere valutato caso per caso effettuando una valutazione del rischio e applicando la dovuta normativa per lo specifico ambiente; in questa valutazione del rischio devono essere considerate anche situazioni come la possibilità di distacco involontario della spina (ad es. dovuto all’inciampo di un operatore) e la possibilità di inserire sotto cortocircuito.

Dal punto di vista normativo è opportuno citare anche la Norma di prodotto CEI EN 60309-1 che prescrive che tutte le prese fisse o mobili con corrente nominale superiore a 250 A[12] debbano essere associate ad un apparecchio di manovra e debbano essere dotate o predisposte per l’interblocco[13]. Ovvero anche se la norma di impianto non lo dice, a partire da 250 A di fatto tutte le prese devono comunque essere previste dotate o predisposte per l’interblocco. In questo caso, tuttavia, il problema per il progettista non si pone poiché non sono disponibili sul mercato prodotti che ne siano privi.

Considerazioni conclusive

La Norme tecniche prescrivono l’utilizzo delle prese interbloccate solo in casi particolari (luoghi con pericolo di esplosione, locali di pubblico spettacolo e intrattenimento, equipaggiamento elettrico delle macchine, piattaforme off-shore) lasciando in tutti gli altri casi al progettista l’analisi dei requisiti elettrici e meccanici che caratterizzano l’ambiente di utilizzo per l’eventuale adozione di una presa interbloccata.

Con lo scopo di fornire ai progettisti (e magari anche al normatore) nuovi elementi utili per stabilire quando prescrivere l’installazione di una presa interbloccata sia fissa sia mobile, sono state condotte delle prove di inserzione su guasto presso il laboratorio di cortocircuito dell’Istituto INRIM a Torino utilizzando prodotti conformi alle rispettive norme con e senza interblocco.

Le esperienze condotte mettono in evidenza come, in condizioni di cortocircuito, la manovra di una presa a spina il cui circuito sia correttamente protetto contro le sovracorrenti con fusibili o apparecchi automatici, con le caratteristiche di quelli utilizzati nelle prove identificate con le lettere A e B, non coinvolge nessun problema di sicurezza per le persone, ma negli altri casi esaminati, che nella realtà delle cose potrebbero essere più frequenti di quanto non direbbe la teoria[14], è opportuno valutare le diverse prestazioni offerte da prese a spina ad uso industriale dotate o meno di interblocco.

Già con una corrente di cortocircuito inferiore a 6 kA gli effetti dell’arco che si stabilisce alla chiusura del circuito possono infatti rappresentare un pericolo per le persone.

Sembra quindi rigoroso, al di là degli attuali obblighi normativi, che come noto costituiscono solo un minimo convenzionale dovuto, adottare l’interblocco in tutti quei casi in cui la corrente di cortocircuito uguaglia o supera tale valore con un opportuno fattore di sicurezza.

Negli stabilimenti industriali tipicamente alimentati con propria cabina di trasformazione le correnti di cortocircuito possono essere elevate, anche al livello delle prese a spina, secondo la potenza dei trasformatori in parallelo e l’impedenza del circuito che alimenta la presa.

Negli impianti alimentati dalla rete pubblica di bassa tensione la Norma CEI 0-21 ha alcuni anni fa normalizzato ed elevato i valori della corrente di cortocircuito al punto di consegna a partire da 6 kA per le taglie inferiori.

A livello della presa a spina ovviamente la corrente di cortocircuito sarà in entrambi i casi ridotta dall’impedenza del montante fino all’interruttore generale e del circuito fino alla presa stessa, ma se l’impianto garantisce un minimo di power quality si può ragionevolmente supporre una proporzionalità diretta tra la corrente nominale di una presa e il valore della corrente di cortocircuito del circuito che la alimenta[15]. Ad esempio, in un contesto civile su una comune presa su un circuito terminale la corrente di cortocircuito presunta dovrebbe essere tipicamente dell’ordine di 800-1000 A.

In generale agli effetti della sicurezza di manovra, il potere di chiusura[16] risulta di fondamentale importanza perché un apparecchio impiegato per chiudere un circuito deve essere in grado di sopportare le sollecitazioni dinamiche e termiche più gravose che tale manovra possono derivare senza distruggersi e diventare causa di pericolo per le persone, fino alle condizioni di chiusura su un cortocircuito.

Come nota storica forse vale la pena osservare che il già citato vecchio DPR 547/55 art. 311 a partire da una certa taglia in poi prescriveva un interruttore a monte della presa, non l’interblocco, ma questo non era sufficiente a costringere l’utente di eseguire fuori carico la manovra di inserzione e di disinserzione della spina nella presa. E’ noto che la specie umana è una specie pigra. Se non viene un introdotto un vincolo tra le operazioni di apertura del circuito e la possibilità di manovrare la spina (per l’appunto l’interblocco), la semplice presenza di un interruttore sul circuito assieme al monito di non manovrare le prese a spina se non a vuoto non sono una garanzia sufficiente che l’inserimento e l’estrazione avvengano davvero a vuoto.

Sia nelle prese fisse che mobili la soluzione più immediata per garantire la sicurezza sembra quella di installare una presa a spina interbloccata, a partire da correnti di cortocircuito anche di soli 6 kA in modo che sia possibile inserire[17] la spina soltanto a circuito aperto.

Le prese interbloccate grazie ai loro benefici comportano una riduzione del rischio che si adatta bene a differenti scenari operativi, di conseguenza il suo utilizzo oltre che imposto dalle norme tecniche dovrebbe essere dettato dal buon senso del progettista.

A cura di Palazzoli Spa


Note:

[1] Se il DPR 547/55 è stato abrogato, non mancano in altri paesi europei, esempi di legislazione nazionale in tema di sicurezza del lavoro che prescrivo l’impiego delle prese interbloccate come in Francia (per correnti nominali superiori a 32 A), Belgio e Paesi Bassi (per correnti nominali superiori a 16 A).

[2] La categoria di utilizzazione AC22 è adatta alla manovra di carichi misti resistivi e induttivi, con sovraccarichi di modesta entità.

[3] G. Cantarella, V. Carrescia, G. Farina “Operation of plugs in short-circuit conditions, Energia elettrica 7-8/1985.

[4] Tanto che la Norma CEI EN 60309-1 non prescrive alcuna prestazione minima per la capacità o meno delle prese interbloccate di interrompere un cortocircuito.

[5] La categoria di utilizzazione AC23 differisce dalla AC22 oltre che per condizioni di prova più gravose anche per la tipologia di carichi che è possibile manovrare; la categoria di utilizzazione AC22 è infatti adatta alla manovra di carichi misti resistivi e induttivi, con sovraccarichi di modesta entità, mentre la categoria di utilizzazione AC23 è adatta alla manovra di motori o altri carichi altamente induttivi.

[6] Per correnti fino a 16 A la presa a spina mobile deve essere fornita di un dispositivo di ritenuta che ne impedisca il distacco involontario.

[7] La prescrizione non è prevista dalla norma di impianto (CEI EN 60079-14), ma dalle norme di prodotto, in funzione del modo di protezione.

[8] Norma CEI EN 60204-1, art. 13.4.5.

[9] Norma IEC 61892-3, art. 16.4.5.

[10] Oltre alle prescrizioni esplicite, nel campo delle norme di legge e limitatamente agli ambienti di lavoro, vale la pena ricordare sempre anche i principi contenuti nell’Art. 2087 del Codice Civile “L’imprenditore è tenuto ad adottare nell’esercizio dell’impresa le misure che, secondo la particolarità del lavoro, l’esperienza e la tecnica, sono necessarie a tutelare l’integrità fisica e la personalità morale dei prestatori di lavoro.”

[11] Semmai facendo riferimento ad un dato nodo, si può dire che la presenza di un collegamento mobile (prolunga) introduce una ulteriore impedenza serie che riduce la corrente di cortocircuito, ma se si cambia nodo tutto viene rimesso in discussione.

[12] A conti fatti per limitare la caduta di tensione al massimo valore ammesso dalla CEI 64-8 nel caso generale (4%) in un circuito con corrente nominale pari a 250 A la corrente di cortocircuito deve essere circa 6kA.

[13] Norma CEI EN 60309-1/V2, art. 12.1.

[14] I giuristi parlerebbero forse in questo caso di uso scorretto ragionevolmente prevedibile.

[15] Orientativamente la corrente di cortocircuito deve essere almeno circa 6kA per limitare la caduta di tensione al 2% in condizioni nominali per correnti pari a 125 A che diventano circa 75 A se si vuole limitare al 10% la caduta di tensione allo spunto (ad esempio per un motore asincrono).

[16] Solo le prese interbloccate hanno un potere di chiusura nominale in cortocircuito, le prese prive di interblocco nulla garantiscono in questo senso.

[17] In realtà anche estrarre, ma nella pratica il problema non è questo.

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