Che cos’è la caduta di tensione e perché è importante
La caduta di tensione è un parametro fondamentale nella progettazione degli impianti elettrici. Innanzitutto, rappresenta la diminuzione del potenziale elettrico che si verifica lungo un conduttore quando questo lungo un conduttore quando questo è percorso da corrente. Di solito, questo fenomeno è causato dalla resistenza intrinseca del cavo, che trasforma parte dell’energia in calore. In pratica, più lungo è il cavo e maggiore è la corrente, più significativa sarà la perdita di tensione all’estremità della linea.
In genere, il calcolo della caduta di tensione è fondamentale per garantire il corretto funzionamento di tutti i dispositivi collegati all’impianto. Un apparecchio che riceve una tensione inferiore a quella nominale può funzionare male, surriscaldarsi o addirittura danneggiarsi. Per questo motivo, la normativa CEI 64-8 stabilisce limiti precisi che ogni progettista deve rispettare.
Inoltre, una caduta di tensione eccessiva comporta un aumento delle perdite per effetto Joule, con conseguente spreco di energia elettrica e costi più elevati in bolletta. Di conseguenza, il dimensionamento corretto dei cavi non è solo un obbligo normativo, ma anche una scelta di efficienza energetica.
Limiti normativi della caduta di tensione secondo la CEI 64-8
Prima di tutto, la sezione 525 della norma CEI 64-8 stabilisce i limiti massimi di caduta di tensione ammissibili negli impianti elettrici. Questi limiti si misurano dall’origine dell’impianto, ossia dal contatore, fino al punto di utilizzazione finale, non dal quadro di partenza. Dunque, è importante considerare tutta la lunghezza del percorso, comprese le diramazioni intermedie.
I valori previsti dalla normativa sono i seguenti:
- Circuiti di illuminazione: la caduta massima consentita è del 4% rispetto alla tensione nominale.
- Circuiti per forza motrice e altri usi: la caduta massima consentita è del 6%.
- Circuiti misti (illuminazione e prese insieme): vale il limite più restrittivo, quindi il 4%.
Di solito, il limite del 4% per l’illuminazione è più severo perché le lampade sono particolarmente sensibili alle variazioni di tensione. Una riduzione anche modesta può causare un abbassamento percepibile del flusso luminoso o, nel caso di LED, uno sfarfallio fastidioso.
In aggiunta, la norma EN 50160 definisce i requisiti di qualità della tensione al punto di consegna, mentre la CEI 64-8 si occupa della distribuzione interna all’edificio. Pertanto, la verifica della caduta di tensione va condotta sia in fase di progetto sia durante il collaudo dell’impianto.
Formula per il calcolo della caduta di tensione: monofase e trifase
Per calcolare la caduta di tensione in un circuito elettrico, si utilizzano formule specifiche a seconda che l’impianto sia monofase o trifase. Tipicamente, la formula di base è la legge di Ohm applicata al conduttore, considerando la resistività del materiale e la lunghezza della linea.
Formula per impianto monofase (230V)
Innanzitutto, per un impianto monofase la formula è la seguente:
ΔV% = (2 × L × I × cosφ × ρ) ÷ (S × Vn) × 100
Dove:
- L = lunghezza della linea in metri (andata + ritorno, da qui il fattore 2).
- I = corrente di impiego in ampere.
- cosφ = fattore di potenza del carico (tipicamente 0,8 per carichi induttivi, 0,9 per carichi resistivi).
- ρ = resistività del conduttore (per il rame a 50°C si usa circa 0,018 Ω·mm²/m).
- S = sezione del conduttore in mm².
- Vn = tensione nominale (230 V per il monofase).
Formula per impianto trifase (400V)
In genere, per un impianto trifase la formula cambia leggermente perché la corrente si distribuisce su tre fasi:
ΔV% = (√3 × L × I × cosφ × ρ) ÷ (S × Vn) × 100
Parallelamente, il fattore √3 (circa 1,732) sostituisce il fattore 2 del monofase. Di conseguenza, a parità di condizioni, la caduta di tensione percentuale su un impianto trifase è inferiore rispetto a un monofase, perché la corrente si ripartisce su tre conduttori.
Esempio pratico di calcolo della caduta di tensione
Per comprendere meglio come applicare le formule, vediamo un esempio pratico. Supponiamo di dover alimentare un carico di 3 kW (circa 13 A) a 230 V monofase, con una linea lunga 50 metri. Di solito, si parte dal presupposto di utilizzare un cavo in rame con sezione di 1,5 mm².
Applicando la formula monofase:
ΔV% = (2 × 50 × 13 × 0,9 × 0,018) ÷ (1,5 × 230) × 100 ≈ 6,8%
Innanzitutto, questo valore supera il limite del 4% per l’illuminazione e anche il 6% per la forza motrice. Pertanto, la sezione di 1,5 mm² non è sufficiente. Proviamo con una sezione maggiore:
- 2,5 mm²: ΔV% ≈ 4,5% → accettabile per forza motrice (limite 6%), ma non per illuminazione (limite 4%).
- 4 mm²: ΔV% ≈ 2,8% → accettabile per entrambi gli usi.
Dunque, in questo caso la sezione corretta per un circuito misto è di 4 mm². Inoltre, è importante ricordare che la resistività del rame aumenta con la temperatura: a 70°C il valore sale a circa 0,021 Ω·mm²/m, quindi la caduta di tensione reale potrebbe essere leggermente superiore al calcolo teorico.
Fattori che influenzano la caduta di tensione
In aggiunta alla lunghezza e alla sezione del cavo, ci sono altri fattori che influenzano la caduta di tensione in un impianto elettrico:
- Tipo di conduttore: il rame ha una resistività inferiore rispetto all’alluminio (0,018 vs 0,029 Ω·mm²/m a 20°C), quindi a parità di sezione offre una caduta di tensione minore.
- Temperatura di esercizio: all’aumentare della temperatura, la resistività del conduttore aumenta, peggiorando la caduta di tensione.
- Condizioni di posa: un cavo in tubazione interrata o in fascio con altri cavi ha una capacità di dissipazione termica ridotta, il che può richiedere un sovradimensionamento.
- Fattore di potenza (cosφ): un cosφ basso (carichi induttivi come motori) aumenta la corrente apparente e quindi la caduta di tensione.
Di solito, per gli impianti domestici il fattore di potenza si aggira tra 0,8 e 0,9, mentre per i soli carichi resistivi è prossimo a 1.
Verifica termica in cortocircuito e norme collegate
In genere, il calcolo della caduta di tensione non è l’unica verifica richiesta dalla CEI 64-8 per il dimensionamento dei cavi. La sezione 434.3.2 impone anche la verifica termica in caso di cortocircuito, utilizzando la formula:
I²t ≤ k²S²
Dove:
- I = corrente di cortocircuito presunta (A).
- t = tempo di interruzione del dispositivo di protezione (s).
- k = coefficiente del conduttore (Cu 70°C PVC ≈ 115, Cu 90°C EPR ≈ 143).
- S = sezione del conduttore (mm²).
Inoltre, è importante coordinare la protezione contro le sovracorrenti con la portata del cavo (sezione 473 della CEI 64-8). Pertanto, il dimensionamento finale deve soddisfare contemporaneamente i requisiti di caduta di tensione, portata termica e protezione in cortocircuito.
Di conseguenza, le norme collegate da considerare sono:
- CEI 64-8 Sez. 525: caduta di tensione.
- CEI 64-8 Sez. 434: protezione contro il cortocircuito.
- CEI UNEL 35024: portata dei cavi in funzione della sezione, isolante e posa.
- CEI 64-8 Sez. 473: coordinamento tra protezioni e selettività.
- EN 50160: qualità della tensione al punto di consegna.
Quando è obbligatorio verificare la caduta di tensione
Innanzitutto, la verifica della caduta di tensione è obbligatoria in fase di progettazione per ogni nuovo impianto elettrico, ai sensi della CEI 64-8. Deve essere documentata nella relazione tecnica di progetto e deve dimostrare che tutti i punti di utilizzazione rientrano nei limiti previsti.
In genere, ci sono alcuni casi particolari in cui la verifica è ancora più critica:
- Linee di grande lunghezza: come gli elettrodotti interrati, le linee di alimentazione di cantieri o le dorsali di edifici estesi.
- Impianti con carichi elevati: ad esempio, l’alimentazione di macchinari industriali, pompe o condizionatori di grande potenza.
- Circuiti di illuminazione in grandi spazi: capannoni, palestre, supermercati, dove le distanze dal quadro sono considerevoli.
- Adeguamento di impianti esistenti: quando si aggiungono nuovi carichi a un impianto già realizzato, la caduta di tensione complessiva può superare i limiti.
Di solito, per gli impianti domestici standard (appartamento di 80-100 m²), la caduta di tensione non rappresenta un problema, purché i cavi siano dimensionati correttamente secondo le tabelle CEI UNEL 35024.
Domande frequenti sulla caduta di tensione
Qual è la differenza tra caduta di tensione e perdita di potenza?
Innanzitutto, la caduta di tensione è una differenza di potenziale misurata in volt o in percentuale, mentre la perdita di potenza è l’energia dissipata sotto forma di calore lungo il conduttore (effetto Joule). Di solito, le due grandezze sono correlate: maggiore è la caduta di tensione, maggiori sono anche le perdite di potenza sulla linea.
La caduta di tensione influisce sul consumo in bolletta?
Sì, una caduta di tensione eccessiva comporta un aumento delle perdite per effetto Joule, che si traducono in un maggiore consumo di energia a parità di carico. Inoltre, alcuni dispositivi come i motori elettrici assorbono più corrente quando la tensione è bassa, aumentando ulteriormente gli sprechi.
Come si misura la caduta di tensione in un impianto esistente?
Per misurare la caduta di tensione, si utilizza un multimetro digitale impostato sulla scala di tensione alternata. Si misura la tensione all’origine del circuito (ad esempio il quadro elettrico) e successivamente al punto di utilizzazione più lontano. La differenza tra i due valori, espressa in percentuale rispetto alla tensione nominale, rappresenta la caduta di tensione effettiva.
Quale sezione del cavo scegliere per evitare una caduta di tensione eccessiva?
Di solito, per un impianto domestico standard, i cavi da 2,5 mm² per le prese e 1,5 mm² per l’illuminazione sono sufficienti. Tuttavia, per linee particolarmente lunghe (oltre 30-40 metri) o carichi elevati (forni, pompe di calore, colonnine di ricarica), potrebbe essere necessario utilizzare sezioni superiori come 4 mm², 6 mm² o anche 10 mm².
Consigli pratici per ridurre la caduta di tensione negli impianti
Innanzitutto, per ridurre la caduta di tensione in un impianto elettrico esistente, la soluzione più efficace consiste nell’aumentare la sezione dei conduttori. Di solito, sostituire un cavo da 1,5 mm² con uno da 2,5 mm² riduce la caduta di tensione di circa il 40% a parità di corrente. Inoltre, quando si progetta un nuovo impianto, è consigliabile sovradimensionare leggermente i cavi per mantenere un margine di sicurezza.
In genere, un altro accorgimento utile consiste nel suddividere i carichi su più circuiti distinti. Ad esempio, invece di alimentare tutta l’illuminazione di un capannone con un unico cavo di grande lunghezza, è preferibile creare circuiti separati che partano da quadri secondari posizionati più vicini ai punti di utilizzazione. Pertanto, la progettazione a zone riduce significativamente la caduta di tensione complessiva.
Parallelamente, per gli impianti trifase è importante bilanciare le correnti sulle tre fasi. Dunque, uno squilibrio eccessivo aumenta la corrente sul neutro e peggiora la caduta di tensione sui conduttori di fase. Di solito, un buon progetto prevede una distribuzione uniforme dei carichi tra le fasi già in fase di progettazione.
Di conseguenza, l’utilizzo di conduttori in rame anziché in alluminio, quando possibile, contribuisce a mantenere la caduta di tensione entro i limiti, grazie alla minore resistività del materiale. In aggiunta, la scelta di un isolante con temperatura di esercizio più alta (EPR o XLPE invece di PVC) consente di sfruttare meglio la portata del cavo senza incorrere in surriscaldamenti.
Strumenti per il calcolo della caduta di tensione
Innanzitutto, per semplificare il calcolo della caduta di tensione, esistono diversi strumenti online e software professionali. Di solito, i progettisti utilizzano tabelle CEI UNEL 35024 o calcolatori automatici integrati nei software di progettazione elettrica come AutoCAD Electrical o EPLAN. Inoltre, è possibile trovare calcolatori online gratuiti che, inserendo i parametri principali (lunghezza, sezione, corrente, cosφ), restituiscono immediatamente il valore della caduta di tensione percentuale.
Conclusione sulla caduta di tensione e la normativa CEI 64-8
In sintesi, la caduta di tensione è un parametro fondamentale nella progettazione di qualsiasi impianto elettrico, regolamentato dalla CEI 64-8 con limiti precisi del 4% per illuminazione e circuiti misti e del 6% per forza motrice. Di conseguenza, il calcolo della caduta di tensione deve essere effettuato con attenzione, utilizzando le formule specifiche per impianti monofase o trifase, considerando tutti i fattori che influenzano il risultato come la lunghezza della linea, la sezione del cavo, il materiale conduttore e la temperatura di esercizio. Pertanto, affidarsi a un professionista abilitato per la progettazione e la verifica dell’impianto è sempre la scelta migliore per garantire sicurezza, efficienza e conformità normativa.