Il pericolo è rappresentato dal valore e dalla durata dell’intensità di corrente che attraversa il corpo umano.

L’intensità è data dal rapporto tra la tensione applicata tra due punti del corpo e la resistenza del percorso.

Il suo valore si può calcolare ricorrendo al generatore equivalente di tensione (Thevenin) visto dai due punti di contatto della persona con il sistema.  

L’impedenza Z_U dipende dal percorso attraverso il corpo e dalle impedenze di contatto. 

Le caratteristiche del generatore di Thevenin, E_Th e Z_Th, dipendono dal tipo di contatto e dal tipo di sistema elettrico.

Il valore di corrente pericolosa si ricava dalla curva di pericolosità della corrente. Per averne un’idea, si può ricordare che in c.a. una corrente di valore efficace I_U=50 mA, non può essere sopportata senza pericolo per più di 1 secondo. Facendo ipotesi semplificative sulla resistenza del corpo umano e sulle impedenze di contatto, ci si può riferire alla curva di sicurezza ed osservare che in c.a. una tensione maggiore di 50V ( 25V in particolari condizioni) indicata con U_L ( tensione limite) non può essere tollerata per più di 5 secondi.

I contatti possono essere diretti ed indiretti.

Nel caso di contatti diretti, assumendo come riferimento all’interno del corpo il percorso mano-piede, la tensione E_th corrisponde alla tensione nominale verso terra del sistema (la tensione stellata: in BT a 380V si ha E=220V) mentre Z_th dipende essenzialmente dallo stato del neutro. Nei sistemi TT e TN il neutro è messo a terra e la resistenza di messa a terra è generalmente molto bassa (qualche ohm o frazioni di ohm). Z_Th è assolutamente trascurabile rispetto a Z_U. Assumendo per Z_U il valore di 3000 ohm ,  I_U= 70 mA: l’unica protezione possibile, in caso di contatto, è l’interruzione del circuito. Ciò si  ottiene solo con l'impiego di interruttori differenziali ad alta sensibilità. 

Nei sistemi IT il neutro è isolato e Z_th  è molto più elevata essendo dovuta alla capacità di esercizio dei cavi. Si può ritenere che essa sia dell’ordine di 500 ohm per ogni MW di potenza installata. Ciò fa capire che non è sufficiente per limitare  I_U a valori non pericolosi essendo ancora inferiore a Z_u. La protezione può essere assicurata unicamente dall’interruttore differenziale ad alta sensibilità.

Più articolato è il caso dei contatti indiretti.

Se, sostanzialmente, per Z_Th si può ripetere quanto detto per i contatti diretti per cui, in generale, è sempre trascurabile rispetto a Z_u, diverso è il discorso per E_Th che corrisponde alla tensione assunta dalle masse rispetto al terreno a potenziale zero.

SISTEMI TT

E_Th è data dalla ripartizione della tensione nominale verso terra determinata dal rapporto tra la resistenza di messa a terra delle masse e da quella di messa a terra del neutro. 

R_TN: resistenza di messa a terra del neutro

R_TU: resistenza di messa a terra delle masse dell'impianto utilizzatore

R_U: resistenza dell'uomo (comprensiva delle resistenze di contatto)

E_Th: tensione di contatto a vuoto

Per fare in modo che questa tensione sia inferiore ad U_L occorre, in un sistema a tensione nominale 380V (220 verso terra) una resistenza di messa a terra delle masse pari ad un terzo di quella del neutro. Ciò costringe in pratica a ricorrere all’interruzione del circuito coordinando il valore della resistenza di messa a terra delle masse con le caratteristiche di intervento dei dispositivi di interruzione del circuito. L'impiego dei dispositivi di massima corrente quali fusibili ed interruttori magnetotermici è praticamente impossibile poiché si dovrebbe realizzare un impianto di terra di resistenza molto bassa ed inoltre tanto più bassa quanto maggiore è la potenza installata. ( Vedere in proposito la pagina relativa ai dispositivi magnetotermici). 

In pratica si deve far ricorso agli interruttori differenziali, stavolta però non necessariamente ad alta sensibilità. 

Indicando con I_Dn la corrente nominale di intervento del differenziale, la resistenza dell'impianto di terra dell'utilizzatore deve soddisfare la relazione:

SISTEMI TN

E_Th dipende dal rapporto tra l’impedenza del conduttore di protezione e quella dei conduttori di fase. 

R_TN: resistenza di messa a terra del neutro. NB: Il suo valore non influisce sulla tensione di contatto.

Z_F: impedenza del filo di fase.

Z_PE: impedenza del filo conduttore di protezione che collega la massa al neutro.

R_U: resistenza dell'uomo (comprensiva delle resistenze di contatto)

E_Th: tensione di contatto a vuoto

Anche in questo caso è praticamente impossibile che questa tensione sia inferiore ad U_L (la sezione del conduttore di protezione dovrebbe essere il triplo di quella del conduttore di fase) per cui è necessario ricorrere all’interruzione del circuito. Questa può essere attuata da dispositivi di massima corrente in quanto il guasto corrisponde ad un cortocircuito. Se però la corrente di guasto dovesse essere troppo piccola e, quindi, richiedere un tempo eccessivo di intervento, si può ricorrere a interruttori con dispositivo differenziale a bassa sensibilità a soglia di intervento regolabile.

La norma CEI prescrive che il prodotto tra l'impedenza dell'anello di guasto (Z_S ) e la corrente (I_a) che provoca l'interruzione automatica del circuito in un tempo stabilito secondo una tabella (che è tanto più piccolo quanto più elevata è la tensione) sia inferiore alla tensione nominale verso terra del sistema (U₀). Nel caso di sistemi a U_NT=U₀=230V nominali verso terra il tempo di intervento deve essere al massimo di 0,4 secondi.

SISTEMI IT

E_Th è determinata dal rapporto tra la resistenza di messa a terra delle masse e dall’impedenza capacitiva di esercizio. 

Z_C: Impedenza capacitiva d'esercizio

R_TU: resistenza di messa a terra delle masse dell'impianto utilizzatore

R_U: resistenza dell'uomo (comprensiva delle resistenze di contatto)

E_Th: tensione di contatto a vuoto

DOPPIO ISOLAMENTO

Gli apparecchi in doppio isolamento hanno caratteristiche tali che in caso di cedimento dell’isolamento principale, un secondo isolamento impedisce il contatto delle parti attive con le masse, quindi mantiene elevatissimo il valore di Z_Th limitando a valori non pericolosi la correte I_U.

SEPARAZIONE ELETTRICA ( Trasformatore di isolamento)

Si alimenta l’impianto mediante un trasformatore a rapporto unitario con requisiti costruttivi tali da impedire il guasto tra l’avvolgimento primario e quello secondario.

L’impianto deve essere poco esteso in modo da limitare le correnti capacitive al secondario del trasformatore.

In questo modo la Z_Th rimane elevata limitando a valori non pericolosi la I_U. Bisogna osservare che le masse vanno comunque interconnesse in modo da evitare che due masse di circuiti diversi possano per cedimenti dell’isolamento entrare in contatto con parti attive e presentare tra esse una tensione pericolosa per la persona che le tocca entrambe. Il collegamento equipotenziale trasforma il doppio guasto in un cortocircuito permettendo l’intervento dei dispositivi di massima corrente.

Le masse non devono essere collegate a terra in quanto guasti su altri apparecchi alimentati direttamente dalla rete potrebbero introdurre potenziali pericolosi.