Distribuzione ed Utilizzazione dell’Energia Elettrica by ingCAD

DISTRIBUZIONE ED UTILIZZAZIONE DELL’ ENERGIA ELETTRICA Rielaborazione delle dispense del prof. Marco Bronzini

INDICE NORMATIVA E LEGISLAZIONE _________________________________________________ 2 CORRENTE ELETTRICA E CORPO UMANO_______________________________________ 2 IL TERRENO COME CONDUTTORE ELETTRICO __________________________________ 5 GENERALITA’ SUI CONTATTI INDIRETTI_______________________________________ 10 PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI nei sistemi TT _____________________ 11 GRADI DI PROTEZIONE INVOLUCRI – Codice IP _________________________________ 20 CIRCUITI EQUIVALENTI DELLE LINEE – Parametri Elettrici _______________________ 20 CLASSIFICAZIONE E STRUTTURA DEI CAVI ELETTRICI _________________________ 27 MODALITÀ DI POSA DELLE CONDUTTURE ELETTRICHE CEI 64-8/5 ____________ 29 CALCOLO ELETTRICO DELLE LINEE L-R_______________________________________ 29 CALCOLO ELETTRICO DI LINEE CON CARICHI DISTRIBUITI e DERIVATI _________ 31 COMPORTAMENTO TERMICO DEI CONDUTTORI PERCORSI DA SOVRACORRENTI_ 36 CARATTERISTICHE D’INTERVETO DEI DISPOSITIVI DI PROTEZIONE ____________ 40 DISPOSITIVI DI PROTEZIONE DELLE CONDUTTURE CONTRO IL CORTOCIRCUITO 45

Autore: Dott. Mag. Ing. Attilio Domenico Cardillo http://sites.google.com/site/dottmagingcad/

04/06/2005

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NORMATIVA E LEGISLAZIONE • NORMAlizzazione, UNIFICAZIONE ELETTRICA ARMONIZZAZIONE, CERTIFICAZIONE E CONTROLLO • COMITATI NAZIONALI: AEI, CNR, ANIE, UNEL CEI… 48-8!!! • COMMISSIONI NAZIONALI-INTERNAZIONALI: BSI, IEC • COMITATO EUROPEO: CENELEC • CONTROLLO DEI COMPONENTI E DEGLI IMPIANTI Marchio CEI e IMQ by IMQ, CESI e IENGF!!! Il marchio CE ha solo valore per la commercializzazione di qualsiasi prodotto nella comunità europea!!! • LEGGI: L. 833/90 – DPR 547/55 – L.186/68 (2 soli articoli sulle norme CEI) – L.791/77 (Sicurezza elettrica per c.a. 50V-1000V e c.c. 75V-1500V) – L.46/90 DPR 447/91 (Progetto obbligatorio messa a terra) – DL.626/94 – DL.277/97 (Rischio elettrico)

CORRENTE ELETTRICA E CORPO UMANO

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo Effetti della corrente elettrica sul corpo:

Fattore di percorso F (Fmax=1.5 per il percorso mano sinistra-torace)

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IL TERRENO COME CONDUTTORE ELETTRICO REM

l R=ρ S RESISTENZA DI TERRA. La terra funge da conduttore elettrico tramite l’uso di elettrodi ivi conficcati, detti dispersori. La resistenza di terra di un dispersore emisferico è:

La resistenza di terra di un dispersore tronco-conico è: 5

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo La resistenza del terreno compreso tra l’elettrodo emisferico di raggio r0 e l’emisfera di raggio 2r0 vale:

Ossia metà della resistenza di terra di un dispersore emisferico è concentrata nell’emisfero di terreno di raggio doppio di quello del dispersore stesso (2r0).

POTENZIALE DI TERRA. Per un elettrodo emisferico di raggio percorso da una corrente I in un terreno omogeneo la caduta di tensione infinitesima dU sulla superficie a raggio r e spessore dr vale:

(1) …e quindi U è il suo potenziale rispetto all’infinito dove assume valore = 0 (per convenzione). L’elettrodo emisferico assume, rispetto ad un punto all’infinito, un potenziale U=

(2)

(1)

** 6

(2)

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo DISPERSORI in PARALLELO. Ciascun elettrodo disperde la corrente I/2.

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RESISTENZA verso TERRA di una PERSONA.

1000 Ohm =

Se consideriamo ciascun piede come una piastra di raggio rp la resistenza di terra del dispersore è:

allora RT=

e se

(per un piede).

…che è un valore molto piccolo!!!

Considerando i piedi in // 8

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo TENSIONE TOTALE (UT) E DI CONTATTO (UC).

N.B. Per sicurezza, in fase di progetto, si maggiora il valore di contatto UC con quello a vuotoUC0 considerando RTC = 0!!! 9

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GENERALITA’ SUI CONTATTI INDIRETTI Tensione di contatto limite: UL=50V …in alcune situazioni di rischio =25V.

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PROTEZIONE CONTRO I CONTATTI INDIRETTI nei sistemi TT

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LIMITI DELLA PROTEZIONE

Soddisfare la condizione si sicurezza non è facile in quanto I5s corrisponde a diversi multipli della corrente nominale, sia per i fusibili che per gli interruttori automatici. Quindi, la RT < 1 Ohm!!! Per realizzare impianti con RT molto basse occorre tramutare il guasto di terra in corto circuito per far intervenire la protezione a massima corrente. Il valore della corrente d’intervento di un dispositivo di protezione a massima corrente entro i 5s è funzione della sua corrente nominale. Quindi per correnti nominali elevate occorrono Ig = ??? kA per provocare l’intervento e quindi valori di RT molto bassi. 13

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Ma ricordando che , il valore della corrente nominale aumenta con la Potenza (considerando cost le altre grandezze) e quindi necessita di una RT adeguatamente bassa!!! Per la protezione di apparecchiature e cavi si usano dispositivi a massima corrente (fusibili ed interruttori magnetotermici) mentre per le persone si utilizzano gli interruttori differenziali che valutano la corrente differenziale…

Tempi d’intervento

≤ 0,03 A

ad alta sensibilità

Un interruttore differenziale è caratterizzato da una corrente nominate (IN) e da una corrente differenziale nominale d’intervento (I∆N) ma solo quest’ultima serve per il dimensionamento dell’impianto di terra. Analogamente a quanto detto per gli interruttori di massima deve esse verificata:

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CORRENTI DI DISPERSIONE La corrente di dispersione fluisce verso terra da un circuito elettricamente sano a differenza di quella di guasto che Ă¨ causata da un guasto di isolamento (cedimento del dielettrico).

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La probabilità che questo accada è definita trascurabile in sede normativa e quindi si può non tenerne conto. Se l’impianto risulta complesso (vari utilizzatori) e da ritenersi a rischio di correnti di dispersione è opportuno dimensionare l’impianto di terra in base alla massima corrente di dispersione che può permanere vero terra. Le correnti di dispersione generalmente sono ugualmente sfasate (120°) rispetto al sistema simmetrico delle tensioni quindi risulta immediato ricavare I∆.

A favore della sicurezza si considera la corrente massima di dispersione su una fase e nulle quelle sulle altre due fasi. Si può così dimensionare l’impianto di terra considerando il valore più alto delle somme di I∆N degli interruttori installati su ciascuna fase. SCELTA DELL’INTERRUTTORE DIFFERENZIALE: Selettività Corrente differenziale nominale di non intervento: il MAX valore di I∆N per il quale

l’interruttore certamente non interviene. Il suo valore è uguale a 16

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Quindi nell’intervallo scattare come no!)

l’interruttore ha un comportamento non definito (può

Allora per la scelta bisogna considerare:

• • La somma vettoriale delle correnti di dispersione sulle singole fasi non deve superare

…È necessario evitare la presenza di masse a monte degli interruttori differenziali o proteggerne i collegamenti con cavi a doppio isolamento.

Non si è protetti da guasto a terra in tutti i punti compresi tra l’interruttore generale (di massima) e quelli differenziali!!!...

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Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo EQUIPOTENZIALITÀ nei Sistemi TT (secondo CEI 68-8). Se tutte le parti simultaneamente a acessibi fossero allo stesso potenziale non ci sarebbe nessun pericolo (…la corrente circola SOLO fra due punti a diverso potenziale)!!! Quindi vengono collegate a terra tutte le masse (estranee e non).

In tal modo si ottengono i seguenti vantaggi: • • •

Diminuisce la resistenza di terra (perché RT//RTA) e quindi la UT<. Quindi diminuiscono le tensioni di contatto tra massa e terra, tra massa e massa esterna Si riduce il rischio di elettrocuzione nel caso in cui non fosse RT <UL / I∆N.

Nei sistemi TT, durante un guasto, tutte le masse sono allo stesso potenziale visto che la tensione sul conduttore di protezione è trascurabile. Come si evince dalla foto, il collegamento di protezione PA (collegamento equipotenziale principale) si installa all’ingresso della tubazione nell’edificio dove vi è la parte disperdente (radice) della massa estranea. Di solito si effettua un collegamento potenziale per ogni radice.

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GRADI DI PROTEZIONE INVOLUCRI – Codice IP (Secondo CEI 70-1 e EN 60529) Gli involucri sono classificati da un codice IP da due cifre, una lettera aggiuntiva ed una lettera opzionale:

Codice obbligatorio

Prima Cifra

Seconda Cifra

International Protection

Protezione contro contatto con parti pericolose ed accesso corpi solidi estranei 0 (NO) – 6 (MAX)

Protezione contro penetrazione di liquidi

0 (NO) – 8 (MAX)

Prima Lettera (opzionale)

In caso di ostacoli o barriere interne come protezione superiore contro l’introduzione di corpi solidi A= No dorso mano B= No dito C= No attrezzature D= No filo

Seconda Lettera (opzionale)

Ulteriori informazioni sul componente H= High tension M= Motion in H2O S= Static in H2O W= Weather prote

CIRCUITI EQUIVALENTI DELLE LINEE – Parametri Elettrici

Le linee aeree sono classificate dalla CEI 11-4 in 4 CLASSI (Classe 0 = Linee TEL – FAX - Segn) Classe 1

Classe 2

Classe 3

1000 V

30000 V

(≤ 5000 V x Lux)

(σr<34340 N)

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo X 4 8  647  z& = R + j X L − X C  =     = R + j ωL − 1 ωC = = 1 + j  1 − 1  G BC   BL

(

Pdiss

)

V2 = RI = = GV 2 R 2

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•

Resistenza elettrica di linea

•

Induttanza (equivalente) l=l’-m’ e Reattanza di servizio

per L=1

l coef. autoinduzione; m coef. mutua induzione

Autoinduzione equivalente Nel caso di linea a due o tre fili di diametro d in disposizione simmetrica, a distanza D (media geometrica delle distanze), si ha: (K=coeff. Funzione del campo interno al conduttore)

K= 0.05 x cond. Lisci K= 0.05 – 0.064 x cond. cordati a cui corrisponde (a 50 Hz) un valore indicativo di… …

per linee aeree e 22

per le linee in cavo.

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Capacità CS=C0(Terra)+3C’(fase) e suscettanza di servizio

Dalle Hp:

Per unità di lungh

a 50 Hz.

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo •

Conduttanza di dispersione

…per scariche superficiali lungo gli isolatori , che è trascurabile per linee non eccessivamente lunghe! …per effetto corona Se εr > 1 (corona bluastra di cariche elettriche sul conduttore)

Per evitare l’effetto corona: • Conduttori Al-Acciaio con >Diam KC< • Conduttori a 2 o 3 fili con < raggio equivalente • Conduttori a corda cava a <Diam con = Sup

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â&#x2C6;&#x2020;E = Caduta di tensione industriale = MAX 4%

IR IL

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Variazione di tensione in linea

La caduta di tensione risulta:

Zl Impedenza di linea dove

Se ε→0 la caduta di tensione industriale ∆E =E1- E2 è:

Ma se ε→0 GL →0 ed essendo

Nel caso di linea trifase la caduta di tensione concatenata è:

…e in %:

…

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CLASSIFICAZIONE E STRUTTURA DEI CAVI ELETTRICI

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo Caratteristiche dei cavi

DESIGNAZIONE DEI CAVI

Tensioni nominali U0 - U

Isolanti e guaine non metalliche

nĂ&#x2DC;

Numero e Armature Costruzioni Materiale del Forma del Rif. Norme sezione dei metalliche speciali conduttore conduttore conduttori R-Elastomero L-Lega Pb Numero F -corda flex Niente-cavo B-Gomma EPR Z2,Z4,Z6-fili, anime H-CENELEC H-corda rotondo S-Gomma silic nastri, trecce x-simbolo A-Nazionale 00 <100V molto flex H-cavo piatto CENELEC 01 100<V<300 N-Policloropren acciaio Niente-Cu K-corda fissa moltiplicativo divisi Y2,Y3-fili, G-con N-Nazionale 03 300-300V E-Polietilene flex H2-cavo piatto A-Al piattine Al V-PVC NO Z-Materiale R-corda conduttore di 05 300-500V V2-PVC 90Â°C A- concentrico NO div. D3-organo rigida rotond protezione CENELEC 07 450-750V P-carta impreg. Al speciale portante centrale S-corda Sezione del S- Capitolati 1 600-1000V T-Treccia tessil F-guaina D4-cavo rigida settori conduttore J-IEC M-Minerale acciaio autoportante U-filo unico mm2 X-Poliest. Retic K-guaina Al

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MODALITÀ DI POSA DELLE CONDUTTURE ELETTRICHE CEI 64-8/5

CALCOLO ELETTRICO DELLE LINEE L-R N.B. Si progetta discriminando le linee in base alla loro lunghezza. •

•

Precisamente: LINEA LUNGA: Progetto sulla Caduta di tensione industriale (∆E<4%) e verifico la portata (corrente sulla linea) I >ITH ** LINEA CORTA: Progetto sulla portata I ** e verifico ∆E <4%. (Verifica ovvia!)

** Bisogna considerare anche una maggiorazione del 15%-20% in caso di futuri ampliamenti dell’impianto!!!

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CALCOLO ELETTRICO DI LINEE CON CARICHI DISTRIBUITI e DERIVATI

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo LINEA APERTA con CARICHI DISTRIBUITI

(*)

Dalle (*)

Dove i momenti Mr e Ml sono quelli totali di tutto il sistema di carichi!!! La verifica della portata verrà fatta per il tronco dove transita la corrente maggiore, ossia quello più caricato. Nel caso in esame è il primo che è attraversato da una corrente 32

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo LINEA APERTA DIRAMATA

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo LINEA ALIMENTATA ALLE DUE ESTREMITÀ

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo LINEA ALIMENTATA ALLE DUE ESTREMITÀ con PIÙ CARICHI

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COMPORTAMENTO TERMICO DEI CONDUTTORI PERCORSI DA SOVRACORRENTI (Cortocircuitolinea guasta o Sovraccaricolinea sana) La portata di un conduttore dipende da tre parametri: 1. Il CONDUTTORE che, percorso da una corrente, assume una temperatura θc maggiore di quella ambiente θa. A regime tutto il calore sviluppato nel conduttore, per effetto joule, viene disperso nell’ambiente circostante. Dal bilancio termico [W] a regime RI2=hS(θc-θa) [1] N.B. θa deve essere compatibile con il tipo di isolante che riveste il conduttore!!! 2. L’ISOLANTE ha nel tempo un decadimento dovuto soprattutto all’ossidazione che è proporzionale alla temperatura! La vita dell’isolante è il tempo per cui riesce a sopportare in modo continuo tale temperatura prima che perda, in modo inaccettabile, le proprie caratteristiche elettriche-meccaniche. L’isolante è morto se carico rottura < carico amm (es. 1N/mm2). Vita isolante invers. prop. Temperatura!!! (θs Temperatura di Servizio)

3. La PORTATA Iz. Per Hp di sicurezza consideriamo la temperatura dell’isolante a contatto con il conduttore pari a θc … ≤θs. Quindi poniamo nella [1] θc=θs avendo:

da cui I0 N.B. La precedente relazione di Iz è indicativa (da solo il valore di I0) in quanto non tiene conto dell’effetto pelle, interazione di conduttori, perdite dielettriche, presenza di guaine, ecc… tipo produzione scambio  isolante calore termico   I z = f  θ s , ρ , r , θ a , h  ↓ ↑ ↑  ↑ ↓ ↑   

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La portata di un cavo in tubazioni può essere espressa da

, dove

•

I0 è la PORTATA a 30°C. Nei trifase si considera quella della fase più caricata. In presenza di armoniche il neutro può essere caricato anche più delle fasi!!!

• •

K1= f(θa) … . Se θa < 30° K1 >1 Iz >> K1= f(n° di cavi in fascio o in strati) < 1. K2 si riferisce a cavi con ugual tipo di isolante (stessa temp max funzionamento). N.B. Non si considerano i cavi non caricati, ossia, con portata < 30% Iz.

Se sezione di tre conduttori adiacenti non è unificata

n=n° circuiti

SOVRACORRENTI E TRANSITORIO TERMICO DEL CAVO Sovracorrente = corrente > portata del cavo >> θs e dopo un inter. tempo si raggiunge una nuova temperatura di regime! Dal bilancio termico [J] RI2dt = hS(θ-θa)dt + Vcdθ si ha…

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= cost Integ. in dt

E dividendo tutto per cr2 N.B.

e ponendo…

= dθ

−

dθ a =0

θ a = cos t

= dθ

Integr. generale dell’omogenea associata

Integrale particolare

(*)

Per Hp la sovracorrente a t=0 θ=θs e quindi (*):

Per t → ∞ si ha un new regime termico a θ=θr, quindi (*) Quindi dalla (*) possiamo ricavare la relazione che esprime la temperatura.

 2h  2h  − t    − t β β θ − θ/ a =  θ s − θ r  ⋅ e −δt + θ r − θ/ a ⇒ θ = θ r − (θ r − θ s ) ⋅ e rc = θ a + −  θ a + − θ s  ⋅ e rc = 123  123  123 δ  123 δ  123 x β  A   θ θ δ r r    − t ρ ⋅ I 2 rc  ρ ⋅ I 2 rc = θa + 2 4 ⋅ −  θ a + 2 4 ⋅ − θ s  ⋅ e rc cπ r 2 h  cπ r 2h  2h

(o DI TEMPO) indica la velocità del fenomeno! Temp. Regime

Temp. Servizio Temp. Ambiente

Prof. Marco Bronzini - Summary by Attilio Domenico Cardillo CURVA DI SOVRACCARICABILITA’ DI UN CAVO Un cavo che lavora in condizioni di progetto a regime (Iz, θs) avrà vita lunga (circa 30 anni). Ogni SOVRACORRENTE (ossia una corrente > Iz) abbrevia la vita del cavo!!! Se la durata t → ∞ si giungerà alla θr altrimenti θs<θ<θr. Ai fini della sicurezza riconsidera θr per tutta la durata della sovracorrente! Per convenzione è tollerabile una perdita di vita del cavo MAX del 10% della vita teorica. Ed inoltre si suppone che il cavo non possa subire MAX 100 eventi di sovracorrente durante l’intera vita. Quindi si ha una perdita di vita MAX (10%/100=) del 0,1% per ogni singolo evento di sovracorrente.

(t,θ)

Hp: Se θ dura per tutto il tempo t!

(I,t) CURVE DI SOVRACCARICO

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CARATTERISTICHE D’INTERVETO DEI DISPOSITIVI DI PROTEZIONE

???

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Definizioni con esempio:

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Sappiamo che le per correnti>If avverrà l’intervento del dispositivo di protezione, secondo la propria curva caratteristica. Magnetotermico

Fusibile

Ed inoltre sappiamo che l’evento di una sovracorrente sollecitazione termica sopportabile se il punto (I,t) rimane al di sotto della curva di sovravvaricabilità (I,t) del cavo (in funzione della sua sezione). Il dispositivo di protezione assicura un’idonea protezione del cavo se la caratteristica d’intervento risulta completamente inferiore alla curva di sovravvaricabilità (I,t) del cavo stesso. Nell’immagine di destra abbiamo un caso in cui quanto detto non risulta verificato. In queste condizioni saremmo costretti a scegliere un cavo di pezzatura (sezione) maggiore (che corrisponde alla curva tratteggiata in rosso) in modo da non avere nessuna intersezione fra le due curve. 44

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DISPOSITIVI DI PROTEZIONE DELLE CONDUTTURE CONTRO IL CORTOCIRCUITO

dove

e La componente unidirezionale, dovuta alla presenza di L, rende la corrente di cortocircuito asimmetrica per il periodo transitorio mentre, dopo un tempo pari ad alcune costanti di tempo, essa coincide sensibilmente con la componente simmetrica. A causa di L a t=0 i=0  in quanto la chiusura del circuito avviene proprio a i=0. In tutti gli altri casi nasce una componente unidirezionale che, rendendo la corrente asimmetrica, annulla la corrente per t=0.

Si DIM che per si ha la MAX dissimmetria ossia il più alto valore del primo picco di corrente di corto circuito. In un circuito puramente induttivo (R=0 T infinita) se…

2⋅I min

•

corrente di corto circuito simmetrica 45

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2 2⋅I MAX

•

corrente di corto circuito completamente asimmetrica

corrente di corto circuito parzialmente asimmetrica

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Categoria B

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Lâ&#x20AC;&#x2122;isolante non deve superare la massima temperatura di cortocircuito stabilita nelle norme per la buona conservazione di un cavo!!!

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