Protezione contro le correnti di microshock

• limitazione della corrente di dispersione verso terra degli apparecchi elettromedicali (tab. 2.1) ;
• limitazione della resistenza del conduttore di protezione dell’impianto e del cavo di alimentazione degli apparecchi elettromedicali (fig. 2.3);
• egualizzazione dei potenziali;
• installazione di un sistema di separazione elettrica dei circuiti.

Il nodo equipotenziale

Nei locali a grande rischio di microshock, per limitare le cadute di tensione pericolose che si possono stabilire a causa di un guasto, si rende necessario un sistema di egualizzazione dei potenziali. Tutte le masse e le masse estranee che possono venire in contatto col paziente, direttamente o indirettamente, devono essere collegate in un unico punto ad un nodo equipotenziale. Con riferimento alla fig. 5.1 un guasto su di un apparecchio non collegato al nodo equipotenziale non risulta pericoloso per le apparecchiature all’interno della zona in cui può risiedere il paziente perché tutti gli apparecchi assumono lo stesso potenziale che resta vincolato al nodo equipotenziale.

La situazione si complica se il guasto avviene in uno degli apparecchi all’interno del sistema equipotenziale. La corrente di guasto che percorre il conduttore di protezione (in un sistema TN potrebbe essere anche piuttosto elevata) moltiplicata per la resistenza di tale conduttore determina una differenza di potenziale rispetto agli altri apparecchi con grave pericolo per il paziente (fig. 5.2 - Un guasto su di un apparecchio all’interno del sistema equipotenziale può essere molto rischioso per il paziente perché la corrente di guasto che percorre il conduttore di protezione moltiplicata per la resistenza propria di tale conduttore produce una pericolosa differenza di potenziale rispetto agli altri apparecchi)

Alimentazione dei circuiti tramite separazione elettrica

L’egualizzazione dei potenziali associata all’impiego dell’alimentazione per separazione elettrica dei circuiti consente di raggiungere un buon livello di sicurezza anche in caso di guasto verso terra.

Le correnti di primo guasto, essendo il sistema poco esteso e isolato da terra, sono prevalentemente di tipo capacitivo e quindi di valore così modesto (ordine dei milliampere) da rendere trascurabili le cadute di tensione sui conduttori di protezione, tali comunque da garantire sia la continuità del servizio sia la sicurezza del paziente (In queste condizioni, viste le piccolissime correnti in gioco, l’egualizzazione dei potenziali parrebbe del tutto superflua se non fosse per l’efficacia che tale sistema presenta nel limitare le cadute di tensione sul conduttore di protezione fino al nodo equipotenziale e nel garantire l’efficienza del sistema equipotenziale anche se si dovesse verificare l’interruzione del collegamento del nodo dall’impianto di dispersione generale).

Il primo guasto deve però essere rimosso al più presto perché un secondo guasto a terra su di un altro apparecchio determinerebbe un corto circuito che, richiudendosi sul secondario del trasformatore (la potenza nominale può variare da 0,5 a 10 kVA), provocherebbe correnti piuttosto elevate e tensioni di contatto, dell’ordine di parecchie decine di volt, pericolose per il paziente.

Per questo motivo le Norme prescrivono un controllo continuo della resistenza di isolamento verso terra del circuito secondario di alimentazione da attuarsi tramite un dispositivo, con caratteristiche ben definite, in grado di avvisare del pericolo mediante un segnale ottico non disinseribile e un segnale acustico tacitabile. Il personale in servizio, avvisato, dovrà concludere il più celermente possibile le operazioni in sala e riparare il guasto prima di iniziare di nuovo la normale attività.

Per meglio chiarire quanto esposto, di seguito si esaminano alcune soluzioni circuitali in relazione alla protezione dalle correnti di dispersione verso terra. Con riferimento alla figura 5.3 (Sistema di protezione contro i contatti indiretti mediante separazione elettrica dei circuiti con trasformatore di isolamento. L’interruzione del collegamento di un apparecchio al sistema di protezione crea una situazione pericolosa per il paziente che può essere attraversato dalla corrente di dispersione a terra in condizioni di normale funzionamento, fino a 500 microampere, del secondo apparecchio) il paziente isolato da terra all’interno di un sistema senza egualizzazione del potenziale è a contatto con un apparecchio guasto alimentato da un trasformatore di isolamento che protegge contro i contatti indiretti per mezzo di un sistema di separazione elettrica.

L’eventuale assenza del collegamento al sistema di protezione dell’apparecchio soggetto a guasto, ad esempio a causa dell’interruzione del conduttore di protezione, determina il passaggio di una corrente sul paziente. Tale corrente, proveniente dal secondo apparecchio perfettamente efficiente e collegato al circuito di protezione, può raggiungere verso terra, come indicato dalle Norme, in condizioni di normale funzionamento, valori di 500 microampere pericolosi per il paziente.

Anche con gli apparecchi sani e il circuito alimentato tramite trasformatore d’isolamento, l’interruzione del conduttore di protezione comporta dei rischi per il paziente. In fig. 5.4 (In mancanza di simmetria verso terra dei circuiti con l’interruzione del conduttore di protezione il paziente si trova inserito nella diagonale del ponte costituito dalle impedenze di isolamento Z₁ e Z₂ del circuito di alimentazione e dalle impedenze Z₃ e Z₄ degli apparecchi elettromedicali) è rappresentata la situazione di un paziente a contatto con la massa di un apparecchio elettromedicale con il conduttore di protezione interrotto e un punto qualunque connesso al nodo equipotenziale.

L’alimentazione dell’apparecchio è separata dalla rete e presenta verso terra le impedenze di isolamento mentre l’apparecchio le impedenze di isolamento verso massa. Il paziente si trova inserito nella diagonale del ponte costituito dalle impedenze (fig. 5.5). Se il ponte è in equilibrio il paziente è al sicuro ma se, come normalmente avviene, il ponte è squilibrato il paziente è attraversato da una corrente I_B che vale:

Applicando il teorema di Thévenin tra i punti A e B si ottiene:

semplificando:

Cortocircuitando il generatore, in questo caso rappresentato dal secondario del trasformatore, si ricava l’impedenza equivalente del circuito:

Quando si ha il ponte è in equilibrio, è uguale a zero e la situazione è di massima sicurezza. In pratica si può raggiunge la situazione di equilibrio rendendo .

Questo non è sempre di facile realizzazione soprattutto per quanto riguarda le impedenze dei singoli apparecchi elettromedicali perché anche un solo apparecchio non perfettamente simmetrico potrebbe vanificare ogni sforzo in tal senso. Molto più semplice e importante è invece agire sull’isolamento verso terra del sistema e nello stesso tempo predisponendo un nodo equipotenziale e accertando periodicamente l’efficienza del collegamento del conduttore di protezione degli apparecchi al nodo stesso. Se si suppone in caso di guasto franco a terra una corrente I_d verso terra non superiore a 2mA la fase integra deve presentare verso terra una capacità che non deve essere superiore a:

La capacità di un apparecchio elettromedicale in concomitanza di guasto a terra può presentare valori molto più grandi. Assumendo come esempio un valore di capacità verso terra di 100 nanofarad il paziente può essere sottoposto ad una tensione di contatto, supponendo di contenere la resistenza complessiva sui collegamenti di protezione al di sotto di 0,4 ohm, di:

I_d = ω x C x U_n = 314 x 100 x 10^-9 x 230 = 7mA

U_T = I_d x R_PE = 7 x 10^-3 x 0,4 = 2,8mV

Una tensione di contatto così modesta non provoca particolari problemi al paziente, si ha infatti:

La corrente di dispersione sul paziente non è pericolosa, il sistema di separazione elettrica dei circuiti assolve egregiamente ai suoi doveri di protezione. La protezione è garantita anche in caso di interruzione di uno dei conduttori di alimentazione essendo le correnti verso terra molto piccole, sicuramente inferiori a quelle di un guasto verso terra (fig. 5.6).

In figura 5.7. (Alimentazione diretta dalla rete (sistema TT) con protezione contro i contatti indiretti del paziente mediante egualizzazione del potenziale. Le correnti di guasto a terra dell’ordine delle decine di ampere nei sistemi TT e delle centinaia di ampere nei sistemi TN provocano cadute di tensione sui collegamenti di protezione che possono essere pericolose per il paziente) è rappresentato un circuito alimentato direttamente dalla rete con le masse degli apparecchi elettromedicali collegate ad un unico nodo equipotenziale realizzato nella zona paziente (ambiente delimitato dal volume nel quale può accedere il paziente).

Il sistema di equipotenzialità esclude tutto il tratto a valle del quadro di zona dove è stato realizzato il nodo equipotenziale permettendo di ridurre la caduta di tensione sul collegamento di protezione. In condizioni di normale funzionamento il paziente non corre alcun rischio perché le correnti di dispersione dei due apparecchi, normalmente in fase tra di loro e di valore praticamente uguale, provocano cadute di tensione sui rispettivi collegamenti di protezione non molto diverse tra loro limitando la caduta di tensione risultante.

Con il primo guasto la situazione si complica perché la corrente che attraversa il collegamento di protezione può raggiungere valori molto elevati, soprattutto se il sistema di distribuzione e di tipo TN (centinaia di ampere per il TN, decine di ampere per il sistema TT) con cadute di tensione sul conduttore di protezione dell’apparecchio guasto molto pericolose sia per il paziente sia per il personale addetto.

Le correnti di guasto verso terra possono essere ridotte a valori non pericolosi adottando il sistema di alimentazione tramite separazione elettrica dei circuiti associato ad un sistema di egualizzazione del potenziale (fig. 5.8). La massima corrente di dispersione di primo guasto a terra ammessa dalle Norme per gli apparecchi elettromedicali è di 1000 microampere, se la resistenza del collegamento di protezione fino al nodo equipotenziale, come prescritto dalle Norme impianti, non è superiore a 0,2 ohm, nel peggior dei casi provocherebbe una caduta di tensione pari a 0,2 mV. Anche un guasto a terra non è pericoloso per il paziente perché, se la corrente è circa 7mA come calcolato in precedenza, la tensione di contatto applicata alle masse può valere al massimo 1,4mV.

Allegati scaricabili

Sicurezza degli impianti elettrici nei locali chirurgici

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