Dimensionamento impianti di terra

Università degli Studi di Padova Corso di PROGETTAZIONE DI SISTEMI ELETTRICI INDUSTRIALI

DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENT O IMPIANTI DI TERRA

Prof: Turri Roberto GRUPPO:

ANNO ACCADEMICO 2010/2011

Ardillica Daniele Baldo Gabriele Galzenati Fabio Vianini Marco

Sommario Introduzione ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 9 Funzioni di un impianto di terra ...................................................................... ......................................................................................................... ................................... 9 Capitolo 2 ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 11 Definizioni e Generalità .......................................................... .................................................................................................................... .......................................................... 11 2.1 Classificazione dei sistemi elettrici in relazione r elazione alla messa a terra ........................................ 11 2.1.1 Sistema S istema TT ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 11 2.1.2 Sistema TN............................................................. ....................................................................................................................... .......................................................... 11 2.1.3 Sistema S istema IT ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ 12 2.2 Classificazioni dei sistemi elettrici in relazione alla tensione ................................................. 12 2.3 Tensione totale di terra ........................................................... .......................................................................................................... ............................................... 13 2.4 Tensione di contatto e di passo ............................................................................................. 13 2.5 Curva di sicurezza ......................................................... ................................................................................................................... .......................................................... 16 2.6 Le masse ....................................................................... ................................................................................................................................. .......................................................... 16 2.7 Massa estranea ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 16 Capitolo 3 ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 19 Correnti di guasto a terra ..................................................................... ................................................................................................................. ............................................ 19 3.1 Impianti con propria cabina o stazione di trasformazione .................................................... 19 3.1.1 Alimentazione in MT ....................................................................................................... 19 3.1.2 Alimentazione AT ............................................................................................................ ............................................................................................................ 20 3.2 Percorso e alimentazione della corrente di guasto................................................................ 20 3.3 I circuiti di ritorno ............................................................................... ................................................................................................................... .................................... 21 3.4 Messa a terra MT all’interno di un impianto industriale ....................................................... 22 3.4.1 Rete R ete a neutro isolato ............................................................................................ ....................................................................................................... ........... 22 3.4.2 Rete con neutro a terra tramite impedenza ................................................................... ................................................................... 22 Capitolo 4 ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 25 Tensioni trasferite all’esterno dell’impianto di terra ............................................................ ....................................................................... ........... 25 25 4.1 Generalità ..................................................................... ............................................................................................................................... .......................................................... 25 4.2 Funi di guardia ............................................................. ........................................................................................................................ ........................................................... 25 4.3 Guaine metalliche dei cavi ..................................................................................................... ..................................................................................................... 26 4.4 Masse estranee ............................................................................................. ...................................................................................................................... ......................... 26

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4.4.1 Tubazioni metalliche fuori terra ...................................................................................... 26 4.4.2 Tubazioni metalliche interrate ........................................................................................ 26 4.4.3 Binari ferroviari di servizio............................................................................................... 26 4.4.4 Recinzioni metalliche interne o esterne.......................................................................... 26 Capitolo 5 ......................................................................................................................................... 31 Interferenze tra impianto di terra e strutture metalliche esterne ................................................... 31 5.1 Pali delle linee aeree di II e III categoria ubicati nell’area dell’impianto utilizzatore............. 31 5.1.1 Palo di linea aerea che alimenta l’impianto utilizzatore ................................................. 31 5.1.2 Palo di linea aerea che non alimenta l’impianto utilizzatore (linea passante) ............... 31 Capitolo 6 ......................................................................................................................................... 33 Il dispersore in impianti di I categoria .............................................................................................. 33 6.1 Il dispersore ............................................................................................................................ 33 6.2 Dispersore magliato, o a griglia .............................................................................................. 34 6.3 Resistenza di un dispersore verticale, o picchetto ................................................................. 34 6.4 Altri dispersori ........................................................................................................................ 35 6.5 La resistività del terreno ......................................................................................................... 35 6.6 Metodi per migliorare la conducibilità del terreno ................................................................ 36 6.7 Dimensionamento termico del dispersore a griglia ............................................................... 36 6.8 Dimensionamento termico dei conduttori di terra ................................................................ 37 Capitolo 7 ......................................................................................................................................... 39 Impianto di terra disperdente di II categoria ................................................................................... 39 7.1 Generalità ............................................................................................................................... 39 7.1.1 Funzione disperdente...................................................................................................... 39 7.1.2 Funzione di conduzione................................................................................................... 40 7.2 Limiti di sicurezza ................................................................................................................... 40 7.3 Dati di progetto ...................................................................................................................... 40 7.3.1 Corrente di guasto e tempo d’intervento delle protezioni ............................................. 40 7.3.2 Resistività del terreno ..................................................................................................... 40 7.4 Formule utili nella progettazione ........................................................................................... 41 7.5 Metodologia di progetto ........................................................................................................ 41 Capitolo 8 ......................................................................................................................................... 43 Impianto di terra disperdente di III categoria .................................................................................. 43 8.1 Generalità ............................................................................................................................... 43 8.2 Limiti di sicurezza ................................................................................................................... 43

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8.3 Dati di progetto ...................................................................................................................... 43 8.3.1 Corrente di guasto e tempo d’intervento delle protezioni ............................................. 43 8.3.2 Resistività del terreno ..................................................................................................... 44 8.3.3 Superficie disponibile ...................................................................................................... 44 8.4 Parametri di progetto............................................................................................................. 44 8.4.1 Profondità di interramento della rete ............................................................................. 44 8.4.2 Perimetro della rete ........................................................................................................ 44 8.4.3 Lato di maglia .................................................................................................................. 45 8.4.3.1 Formule per il calcolo delle tensioni di contatto, di passo e della resistenza di terra . 45 8.5 Metodologia di progetto ........................................................................................................ 47 8.5.1 Equipotenzialità............................................................................................................... 48 8.5.2 Recinzioni ........................................................................................................................ 48 8.5.3 Ferri d’armatura .............................................................................................................. 4 9 Capitolo 9 ......................................................................................................................................... 50 Impianto di terra di conduzione in II e III categoria ......................................................................... 50 9.1 Conduttori di terra e di protezione ........................................................................................ 52 9.1.1 Sistemi di II e III categoria ............................................................................................... 52 Capitolo 10 ....................................................................................................................................... 53 Impianto di terra di protezione delle cabine MT/BT........................................................................ 53 10.1 Generalità ............................................................................................................................. 53 10.2 Strutture da mettere a terra ................................................................................................ 54 10.3 Messa a terra del neutro BT ................................................................................................. 55 10.4 Criteri generali di progettazione .......................................................................................... 55 10.5 Progettazione dell’impianto di terra per cabine di tipo 1 .................................................... 55 10.5.1 Tensione totale di terra superiore ai limiti ammessi .................................................... 58 10.6 Progettazione dell’impianto di terra per cabine di tipo 2 .................................................... 61 10.6.1 Tensione totale di terra inferiore ai limiti ammessi ...................................................... 61 10.6.2 Tensione totale di terra superiore ai limiti ammessi .................................................... 61 10.7 Progettazione dell’impianto di terra per cabine di tipo 3 .................................................... 62 10.8 Progettazione dell’impianto di terra del posto di trasformazione su palo .......................... 63 Capitolo 11 ....................................................................................................................................... 67 Dimensionamento alle tensioni di contatto e di passo.................................................................... 67 11.1 Determinazione delle U C e UP............................................................................................... 6 7 11.2 Rimedi, provvedimenti correttivi ......................................................................................... 67

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11.3 Esecuzione dell’impianto di terra......................................................................................... 68 11.3 Protezione contro la corrosione ........................................................................................... 70 11.4 Interferenze ad alta frequenza............................................................................................. 71 11.5 Altri aspetti esecutivi ............................................................................................................ 71 Capitolo 12 ....................................................................................................................................... 73 Contatti indiretti con e senza impianto di terra ............................................................................... 73 Capitolo 13 ....................................................................................................................................... 77 Dimensionamento ed esecuzione dell’impianto di terra nella sezione di I categoria di installazione industriale con propria cabina di trasformazione ............................................................................ 77 13.1 Dimensionamento termico di impianto di tipo TT ............................................................... 77 13.2 Dimensionamento termico di impianto di tipo TN .............................................................. 77 13.3 Protezione contro i contatti indiretti ................................................................................... 78 13.3.1 Sistema TT ..................................................................................................................... 78 13.3.2 Sistema IT ...................................................................................................................... 78 13.3.3 Sistema TN ..................................................................................................................... 79 13.4 Esecuzione dell’impianto di terra......................................................................................... 80 13.4.1 Impianto forza motrice .................................................................................................. 80 13.4.2 Impianto prese .............................................................................................................. 80 13.4.3 Impianto luce ................................................................................................................. 81 13.4.4 Conduttori di protezione ............................................................................................... 81 13.4.5 Conduttori equipotenziali ............................................................................................. 81 13.4.6 Messa a terra del centro stella del lato bassa tensione dei trasformatori di distribuzione ............................................................................................................................. 81 Capitolo 14 ....................................................................................................................................... 83 Compatibilità tra impianti di terra di sistemi elettrici a tensione inversa........................................ 83 Capitolo 15 ....................................................................................................................................... 85 Prescrizioni particolari ...................................................................................................................... 85 15.1 Impianti di illuminazione stradale interna ........................................................................... 85 15.2 Drenaggio cariche elettrostatiche ........................................................................................ 85 15.3 Messa a terra di autocisterne............................................................................................... 86 15.4 Provvedimenti particolari nei luoghi con pericolo di esplosione o incendio ....................... 86 15.4.1 Conduttore di neutro .................................................................................................... 86 15.4.2 Limitazioni termiche ...................................................................................................... 87 15.4.3 Pozzetti di terra ............................................................................................................. 87 15.4.4 Zona AD di divisione zero dei luoghi di classe 1 ............................................................ 87

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15.4.5 Equipotenzialità............................................................................................................. 87 15.5 Messa a terra di impianti fotovoltaici e solare termico ....................................................... 87 15.6 Impianti di terra per piscine e fontane ................................................................................ 89 15.7 Impianto di terra di cantieri ................................................................................................. 91 15.7.1 Gruppi elettrogeni ......................................................................................................... 92 15.7.2 Ponteggi......................................................................................................................... 92 15.8 Circuiti di telecomunicazione e periferiche remote ............................................................. 92 15.8.1 Elevate correnti di dispersione...................................................................................... 93 15.8.2 Disturbi di terra ............................................................................................................. 93 15.9 Uso di strutture metalliche come conduttore di terra o di protezione ............................... 93 Capitolo 16 ....................................................................................................................................... 95 Misure sul posto ............................................................................................................................... 95 16.1 Misure della resistività del terreno ...................................................................................... 95 16.2 Misura della resistenza totale di terra ................................................................................. 96 16.2.1 Metodo della caduta di tensione mediante utilizzo di un misuratore di terra ............. 96 16.2.2 Criterio dell’iniezione di corrente (classico voltamperometrico) ................................. 97 16.3 Misura delle tensioni di contatto e di passo ........................................................................ 99 16.4 Misura dell’impedenza dell’anello di guasto ..................................................................... 100 16.5 Prova di continuità ............................................................................................................. 101 Appendice 1.................................................................................................................................... 103 Terra Globale .................................................................................................................................. 103 A1.1 Requisiti degli impianti di terra inseriti in un impianto di terra globale ............................ 104 A1.2 Certificazione di un impianto di terra globale ................................................................... 104 Appendice 2.................................................................................................................................... 105 Dimensionamento degli impianti di terra con metodi numerici.................................................... 105 A2.1 Generalità .......................................................................................................................... 105 A2.2 Software commerciali ........................................................................................................ 105 A2.3 Approccio ........................................................................................................................... 105 A2.3.1 Metodo agli elementi finiti ......................................................................................... 108 A2.3.2 Principio delle immagini elettriche ............................................................................. 109 A2.4 Programma di simulazione GSA ......................................................................................... 109 A2.4.1 Dati richiesti dal programma ...................................................................................... 111 A2.4.2 Risultati forniti dal programma ................................................................................... 111 A2.5 Programma di simulazione CDEGS ..................................................................................... 113

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A2.6 Programma di simulazione GEO......................................................................................... 115 Bibliografia...................................................................................................................................... 117 Fonti................................................................................................................................................ 117

Introduzione Funzioni di un impianto di terra Un impianto di terra, nel modo più comune, costituisce un mezzo per disperdere correnti elettriche nel terreno e per ridurre i rischi di elettrocuzione. Un impianto di messa a terra o più semplicemente un impianto di terra, deve svolgere le seguenti principali funzioni: Vincolare (mediante collegamento diretto o tramite impedenza) il potenziale di determi nati punti (in generale il centro stella naturale o artificiale) dei sistemi elettrici (di alcuni o di tutti) esistenti nell’area dell’impianto considerato; Costituire un mezzo per disperdere correnti elettriche nel terreno in modo che, in caso di  guasto, esse non influiscano in modo grave sulla continuità del servizio. Si deve tenere conto che in occasione di guasti alcuni componenti dell’impianto possono essere soggetti a sollecitazioni termiche, dielettriche o elettrodinamiche, causa di inefficienze; Proteggere dal rischio di elettrocuzione le persone e gli animali che si trovino in vicinanza  dell’impianto stesso, si deve osservare che la presenza di un impianto di terra è condizi one necessaria ma non sufficiente a garantire la sicurezza; Disperdere nel terreno le correnti degli impianti di protezione contro le scariche atmosfe riche; Alcune condizioni e parametri che possono influire sull’efficacia di un impianto di terra sono le s eguenti: Valore delle correnti di guasto in rapporto alle dimensioni ed alle caratteristiche  dell’impianto; Durata del fenomeno;  Valore della resistenza del suolo e sua disuniformità;  Rischi di contatto tra punti che possono assumere potenziali diversi.  Per impianto di terra si intende l’insieme dei: Dispersori;  Conduttori di terra;  Conduttori di protezione;  Conduttori equipotenziali.  Nel caso l’impianto di terra sia comune a più sistemi elettrici deve essere tale da garantire la sic urezza alle persone per un guasto a terra in uno qualsiasi dei sistemi elettrici e potrebbe svolgere entrambe le funzioni. L’aspetto legato alle problematiche della sicurezza, riguarda anche il rispetto di leggi e norme ufficiali appositamente emanate. Le caratteristiche degli impianti in oggetto sono quindi da sottoporre a validazione tecnica e formale da conseguire in base alle leggi vigenti.

Capitolo 2 Definizioni e Generalità 2.1 Classificazione dei sistemi elettrici in relazione alla messa a terra In relazione allo stato del neutro e alla situazione delle masse, i sistemi elettrici sono individuati con due lettere. La prima lettera indica lo stato del neutro: T : neutro collegato a terra;  I : neutro isolato da terra, o a terra tramite un’impedenza.  La seconda lettera indica la situazione delle masse:  T : masse collegate a terra;  N : masse collegate al neutro del sistema.  2.1.1 Sistema TT

Il sistema elettrico TT ha il neutro messo a terra direttamente e le masse collegate ad un impianto di terra indipendente da quello del neutro. Il sistema è ritenuto TT anche quando l’impi anto di terra del neutro non è elettricamente indipendente da quello delle masse, come in genere avviene quando la cabina MT/BT del distributore è inglobata nello stesso edificio degli impianti utilizzatori.

Figura 1: Schema sistema elettrico TT.

2.1.2 Sistema TN

Il sistema elettrico TN ha il neutro messo direttamente a terra e le masse dell’installazione co nnesse a quel punto per mezzo del conduttore di protezione. Si distinguono i seguenti tipi di sistemi TN, secondo che i conduttori di neutro e di protezione siano separati o meno: TN-S : i conduttori di neutro e di protezione sono separati;  TN-C : le funzioni di neutro e di protezione sono combinate in un solo conduttore (PEN); 

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Capitolo 2



TN-C-S : le funzioni di neutro e di protezione sono in parte combinate in un solo conduttore e in parte separate.

Figura 2: Schema sistema elettrico TN-C, TN-S.

2.1.3 Sistema IT

Il sistema IT ha il neutro isolato o a terra tramite un’impedenza, mentre le masse sono collegate a terra.

Figura 3: Schema sistema elettrico IT.

2.2 Classificazioni dei sistemi elettrici in relazione alla tensione Per sistema elettrico si intende il complesso delle macchine, delle apparecchiature, delle sbarre e delle linee aventi una determinata tensione nominale. La tensione nominale di un sistema è il valore della tensione con il quale esso viene denominato ed al quale sono riferite le sue caratteristiche. Per i sistemi trifasi si considera come tale la tensione concatenata. Un sistema elettrico è individuato oltre che dalla propria tensione nominale, anche dalla tensione nominale verso terra. Essa dipende dallo stato del neutro del sistema stesso. In base al più elevato tra i due valori di tensione nominale e tensione nominale verso terra, i sistemi sono codificati nel seguente modo: Sistemi di categoria 0 (zero): tensione minore o uguale a 50 V se a corrente alternata o a  120 V se a corrente continua (bassissima tensione); Sistemi di I categoria: tensione oltre a 50 V fino a 1000 V compreso se a corrente alterna ta, o da oltre 120V e fino a 1500 V compreso se a corrente continua (bassa tensione);

Definizioni e Generalità

 

Sistemi di II categoria: tensione nominale oltre 1000 V se a corrente alternata e oltre 1500 V se a corrente continua fino a 30000 V compreso (media tensione); Sistemi di III categoria: tensione nominale maggiore di 30000 V (alta tensione).

2.3 Tensione totale di terra Il dispersore ha una resistenza verso terra che dipende dalle sue dimensioni e dalle caratteristiche del terreno nel quale è posto. Il prodotto della corrente dispersa per la resistenza di terra è la tensione totale di terra cioè, la tensione che l’impianto di terra, e quindi tutte le masse ad esso collegate, assume verso il terreno a distanza infinita (a potenziale nullo):

2.4 Tensione di contatto e di passo La tensione di contatto è la differenza di potenziale tra la parte metallica (massa) di una apparecchiatura, messa in tensione da un guasto, ed il terreno dove potrebbero trovarsi i piedi di un operatore già in contatto con la massa stessa. Tenendo presente che la tensione della massa è praticamente uguale a quella del dispersore al quale è elettricamente collegata, si può anche dire che la tensione di contatto è uguale alla differenza di potenziale tra il dispersore ed il terreno nel punto in cui si posano i piedi dell’operatore. Per tensione di contatto , si intende convenzionalmente la tensione mano-piedi, con i piedi alla distanza di un metro dalla proiezioni verticale della massa in guasto. Ne consegue che, detta la resistenza terreno-piede, nello schema relativo alla tensione di contatto due piedi in parallelo è

, la resistenza dei

.

L’uomo che tocca la massa in tensione, cortocircuita un metro di terreno tra la massa stessa e i suoi piedi. Se la sua resistenza fosse nulla, l’inizio della curva del potenziale sulla superficie del terreno si sposterebbe semplicemente dalla massa ai suoi piedi; poiché invece la sua resistenza non è nulla la presenza dell’uomo si risolve in un rialzo della curva del potenziale sotto i suoi piedi nel senso di avvicinare il potenziale del terreno a quello della massa. La resistenza totale dell’uomo si compone della somma della sua resistenza interna di 1000 Ω, più la resistenza tra piedi e terreno. Quest’ultima dipende dalla resistività dello strato superficiale del terreno, e ciò spiega perché uno dei provvedimenti principali per limitare la corrente nel corpo umano, sia proprio quello di aumentare la resistività dello strato superficiale del terreno. La tensione di passo è la differenza di potenziale fra due punti del terreno posti alla distanza di un passo (convenzionalmente pari ad un metro) e corrispondente alla differenza di potenziale tra le due linee equipotenziali affioranti dal terreno nei due punti considerati. L ’uomo cortocircuita un tratto di terreno, provocando una riduzione della differenza di potenziale sulla superficie del terreno tra questi due punti, nell’ipotesi naturalmente che l’uomo si sp osti radialmente rispetto alla massa. Poiché i due punti del terreno tendono a portarsi allo stesso potenziale, il piede più vicino alla massa provoca un abbassamento della curva del potenziale, e il piede più lontano corrispondentemente un rialzo. Nel circuito relativo alla tensione di passo, i piedi sono tra loro in serie, quindi la resistenza terreno-piede è eguale , vale a dire quattro volte maggiore che nel caso della

.

Per tensione nominale dell’impianto superiore a 1000 V non si fa più distinzione tra tensione di contatto e tensione di passo data la maggiore pericolosità della corrente nel corpo umano

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Capitolo 2

nel percorso mano-piedi che nel percorso piede-piede. In effetti il pericolo per le persone dipende sostanzialmente dalla corrente e dalla sua durata, cioè dall’energia liberata durante il suo passa ggio. Limiti di tensione di passo e contatto imposti dalla norma CEI 11-8: Tempo eliminazione guasto (s)

Tensione di contatto e di passo U c e Up (V)

≥2 1 0,8 0,7 0,6 ≤0,5

50 70 80 85 125 160

I limiti di sicurezza sono stati stabiliti per la frequenza industriale di 50-60 Hz, ma possono essere impiegati fino a 1 kHz ed estesi in termini di sicurezza anche alla corrente continua (a riguardo meno pericolosa).


Figura 4: Tensione di contatto U C e di passo U P a carico; Tensione di contatto U CO e di passo U PO a vuoto.

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Capitolo 2

2.5 Curva di sicurezza Per curva di sicurezza corrente-tempo si intende la curva che individua il tempo per il quale è sopportabile un transito di corrente. Una volta stabilita la curva di sicurezza corrente-tempo si può risalire alla curva di sicurezza tensione-tempo attraverso la resistenza del corpo umano per quanto riguarda la tensione di contatto .

Figura 5: Curva di sicurezza tensione-tempo.

Figura 6: Curva di sicurezza corrente-tempo.

2.6 Le masse Per massa si intende una parte conduttrice, facente parte dell’impianto elettrico, non in tensione in condizioni ordinarie di funzionamento, ma che può portarsi ad un potenziale pericoloso in caso di cedimento dell’isolamento principale, e che può essere toccata. Una parte conduttrice fa parte dell’impianto elettrico quando è ipotizzabile un contatto di tale parte con una parte attiva dell’impianto elettrico stabilmente prossima. Una parte conduttrice che può andare in tensione solo perché in contatto con una massa, non è da considerarsi una massa. La dizione “che può essere toccata” non ha alcun riferimento spaziale, ma si riferisce all’assenza di barriere di isolamento, o alla possibile rimozione delle stesse senza l’ausilio di appositi attrezzi. La normativa infine vieta il collegamento a terra di componenti dell’impianto o apparecchi utilizzatori con isolamento doppio, rinforzato, o ad isolamento totale.

2.7 Massa estranea Parte conduttrice non facente parte dell’impianto elettrico, suscettibile ad introdurre un potenziale, generalmente il potenziale di terra. Si tratta di parti metalliche accessibili in buon collegamento elettrico con il terreno, esse sono in genere costituite da tubazioni facenti parte di reti estese ed interrate, come quelle dell’acquedotto pubblico e del gas, le quali presentano appunto una bassa resistenza verso terra. In termini di potenziale si dice che la massa estranea introduce nell’ambiente il potenziale zero della terra lontana. Può essere costituita anche da una parte metallica isolata verso terra, ma in grado di immettere un potenziale elevato nel locale, derivante da un guasto esterno al locale stesso.


La persona che entra in contatto simultaneamente con una massa e una massa estranea, è soggetta alla tensione totale, occorre per tanto collegare all’impianto di terra le masse estranee e t ale collegamento viene definito come collegamento equipotenziale principale. Nei sistemi di I categoria si adotta una sezione metà di quella del conduttore di protezione più grande dell’impianto con un minimo di 6 mm2 ed un massimo di 25 mm 2 in rame. Nei luoghi a maggiore rischio elettrico è richiesto un collegamento equipotenziale supplementare, cioè una ripetizione del collegamento equipotenziale con un conduttore di sezione non inferiore a 4 mm 2 in rame. Nei sistemi di II e III categoria la sezione del conduttore equipotenziale deve essere uguale a quella del conduttore di terra.

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Capitolo 3 Correnti di guasto a terra La normativa CEI 11-8 distingue due correnti di guasto a terra: corrente di guasto : massima corrente di guasto monofase a terra del sistema elettrico; corrente di terra : quota parte della corrente di guasto che l’impianto disperde nel terreno.

3.1 Impianti con propria cabina o stazione di trasformazione All’interno di uno stabilimento alimentato in MT o in AT, l’utilizzatore può avere una distribuzione unica in BT, oppure una distribuzione in MT per l’alimentazione di motori o carichi maggiori, e in BT per la restante parte costituente l’utenza. La distribuzione in M T può essere alla stessa tensione di alimentazione, oppure ad un valore diverso opportunamente scelto. 3.1.1 Alimentazione in MT

In Italia generalmente le reti MT sono a 15 kV o 20 kV e sono gestite con neutro isolato. In tali reti il circuito di guasto si chiude attraverso le capacità verso terra della rete di alimentazione.

Figura 7: Correnti capacitive di guasto a terra in una rete con neutro isolato.

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Capitolo 3

Poiché le capacità verso terra di una rete, sia aerea che in cavo, sono un parametro distribuito, la corrente di guasto è funzione, oltre che della tensione, anche dell’estensione della rete ed è quindi tanto più alta quanto più è estesa la rete. La corrente di guasto

è data da:

dove:    

: corrente di guasto in A; : tensione nominale della rete in kV; : lunghezza delle linee aeree, in km; : lunghezza delle linee in cavo, in km.

La corrente di guasto a terra negli impianti a neutro isolato dipende quindi dall’estensione della rete al momento del guasto ed è indipendente dal punto di guasto .In genere va da poche decine di ampere per le reti prevalentemente aeree a qualche centinaio di ampere per le reti prevalentemente in cavo. La Norma CEI 11-8 prescrive che l’impianto di terra in reti con neutro isolato sia dimensionato, per quanto riguarda la sicurezza delle persone, con riferimento quindi alla tensione di terra e alle conseguenti tensioni di contatto, per la massima corrente di guasto monofase a terra che l’impianto può essere chiamato a disperdere nel terreno. Nelle reti con neutro isolato, però, se una fase va a terra la tensione verso terra delle altre due fasi sane sale alla tensione concatenata. Il corrispondente isolamento verso terra viene allora sollecitato a regime da una tensione volte maggiore e dalle sovratensioni transitorie che hanno origine in seguito al guasto a terra stesso. In questa situazione potrebbe verificarsi un secondo guasto a terra in corrispondenza di eventuali punti deboli della rete. Questo secondo guasto a terra stabilisce un cortocircuito tra fasi attraverso la terra e la corrente assume un valore conseguentemente più elevato in funzione dell’impedenza del circuito di guasto. La Norma CEI 11-8 prescrive che il conduttore di terra, nelle reti ove non sia predisposta l’apertura automatica del circuito per primo guasto a terra, sia dimensionato per la corrente di doppio guasto monofase a terra. La corrente di doppio guasto a terra è una corrente di cortocircuito bifase, il cui valore dipende quindi dalla distanza tra i due punti di scarica su fasi diverse. 3.1.2 Alimentazione AT

Il neutro della rete AT è efficacemente a terra e quindi ogni guasto a terra è un cortocircuito monofase a terra, con valori dell’ordine dei kA. Il valore di questa corrente di cortocircuito dipende unicamente dalla potenza dell’alimentazione e dall’impedenza del circuito di guasto. Ne consegue che la corrente di guasto non dipende dall’estensione della rete, ma dal punto di guasto e dalla configurazione della stessa al momento del guasto.

3.2 Percorso e alimentazione della corrente di guasto La corrente che determina le tensioni di contatto e di passo è la tuazioni. Di seguito ne considereremo alcune.

. Si possono verificare varie si-

Correnti di guasto a terra

Figura 8: Schema di principio e andamento quantitativo delle correnti per guasto unipolare a terra di un’installazione industriale senza autoproduzione. a) Officina elettrica esterna; b) Stabilimento industriale; c) Utilizzatore; d) Terra; CT) Conduttore di terra; CN) Conduttore di neutro del trasformatore; IG) Corrente di guasto; IT) Corrente di terra; RT) Resistenza di terra dell’impianto industriale; E) Dispersore di terra.

Nel caso della figura soprastante, lo stabilimento industriale è alimentato da un trasformatore con neutro a terra lontano (alimentazione da una sorgente esterna allo stabilimento industriale). Trascurando per semplicità la presenza delle funi di guardia, la corrente di guasto rientra tutta attraverso il terreno tramite il dispersore, e quindi . Se l’alimentazione avviene invece da una sorgente interna allo stabilimento industriale, il percorso della corrente di guasto si chiude tramite il dispersore all’interno dello stabilimento stesso. Il pe rcorso della corrente tra il guasto ed il neutro del trasformatore interessa solamente il collegamento metallico rappresentato dalla griglia di terra e non vi è corrente dispersa nel terreno. In questo caso è quindi . Lo stabilimento può anche essere alimentato contemporaneamente da due sorgenti, una esterna e una interna allo stabilimento stesso.

3.3 I circuiti di ritorno In una rete con neutro a terra si intendono per circuiti di ritorno quegli elementi che collegano direttamente gli impianti di terra, o semplicemente il punto di guasto, con il centro stella del trasformatore che alimenta il guasto e consentono a una parte della corrente di guasto di tornare alla sorgente di alimentazione senza interessare il terreno. Ma anche nel caso più generale di sorgente esterna all’impianto consid erato vi possono essere circuiti metallici di ritorno e questi sono tipicamente le funi di guardia delle linee aeree e gli schermi o le armature metalliche dei cavi, se collegati agli impianti di terra delle stazioni o degli stabilimenti industriali. Anche nelle reti con neutro isolato ci possono essere collegamenti metallici tra differenti impianti di terra, come appunto gli schermi dei cavi, se connessi a terra ad entrambe le estremità. In questo caso non rivestono più l’aspetto di veri circuiti di ritorn o, quanto

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Capitolo 3

piuttosto quello di conduttori di terra che adempiono la funzione di mettere tra loro in parallelo diversi impianti di terra. In tal modo tutti gli impianti di terra interconnessi sono coinvolti nel guasto ovunque esso sia, ma la corrente dispersa nell’impianto in cui avviene il guasto viene conseguentemente ridotta e così anche la sua tensione di terra. In una rete con neutro a terra, la fune di guardia o lo schermo dei cavi adempiono a due funzioni: Vale solo per le funi e gli schermi di linee che alimentano il guasto, ed è quella di drenare  una notevole percentuale della corrente di guasto stessa, sottraendola al dispersore di stabilimento. Grazie al contributo di tali circuiti di ritorno, il compito del dispersore dello stabilimento può essere notevolmente alleggerito. La seconda funzione è esplicata dalle funi di guardia e dagli schermi metallici di tutte le li nee in arrivo o in partenza, anche da quelle che non alimentano il guasto, o addirittura sono fuori tensione purché con funi di guardia e schermi collegati all’impianto di terra dello stabilimento industriale. Tale funzione deriva dal fatto che la successione di celle in cascata formate dalle campate di una fune di guardia e dai dispersori di terra dei sostegni di linea costituisce un circuito disperdente (dispersore ausiliario) in parallelo al dispersore principale dello stabilimento. L’impedenza di ingresso della catena della catena si pone in parallelo alla resistenza del dispersore.

3.4 Messa a terra MT all’interno di un impianto indust riale Per la distribuzione in media tensione all’interno dell’impianto industriale si possono seguire due sistemi: rete a neutro isolato;  rete con neutro a terra attraverso impedenza.  3.4.1 Rete a neutro isolato

Il caso più frequente è quello di stabilimento industriale alimentato in MT da una rete esterna, con distribuzione interna propria, ad una MT intermedia. In questo caso, l’utente è libero di sc egliere il criterio che crede per quel che riguarda l’intervento delle protezioni e quindi, in particolare, il funzionamento per tempi lunghi con una fase a terra. In queste condizioni però, se non è prevista l’interruzione automatica del circuito al primo guasto a terra (per ragioni di continuità di esercizio), l’impianto di terra per il guasto a terra sulla rete a MT intermedia è dimensionato per la corrente di doppio guasto a terra. Il problema riguarda più che altro i conduttori di terra, mentre non ha nessuna rilevanza agli effetti delle tensioni di contatto, in quanto nessuna corrente di guasto viene dispersa nel terreno, ma percorre prevalentemente conduttori metallici dei dispersori intenzionali e di fatto. 3.4.2 Rete con neutro a terra tramite impedenza

In questo sistema il neutro della rete MT all’interno dello stabilimento è collegato a terra attr averso una resistenza o reattanza limitatrice della corrente di guasto. Il valore dell’impedenza di messa a terra è scelto secondo due criteri diversi, in relazione ai diversi aspetti protettivi che si vogliono privilegiare: impedenza di basso valore, atta a ridurre la corrente di guasto a terra a valori compresi tra  la corrente nominale del trasformatore di alimentazione e alcune centinaia di ampere; privilegia la robustezza dei componenti e la semplicità dei dispositivi di protezione. Il potenziale del sistema risulta saldamente vincolato a terra ed è ridotto al minimo il pericolo di sovratensioni transitorie, in misura confrontabile con quanto avviene per i sistemi con neutro direttamente a terra. Per contro, tanto più elevate sono le correnti di terra, tanto maggiori sono i danni di un guasto a terra;

Correnti di guasto a terra



impedenza di alto valore, atta a limitare la corrente di guasto a terra a valori dell’ordine della decina di ampere o meno. si avvicina molto al sistema a neutro isolato e privilegia la protezione contro i danni conseguenti alle elevate correnti. Tanto minore è il pericolo per corrente, tanto maggiore è l’attitudine del sistema ad essere sede di sovratensioni di varia origine.

L’impianto di terra viene dimensionato per la maggiore tra le correnti di guasto monofa se a terra sulla MT e sulla BT. Per guasto a terra sulla media tensione, la corrente di guasto ritorna al neutro dell’avvolgimento attraverso la maglia di terra senza disperdersi nel terreno. La maglia di terra in questo caso ha una mera funzione equipotenziale.

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Capitolo 4 Tensioni trasferite all’esterno dell’impianto di terra 4.1 Generalità Le differenze di tensione che si possono manifestare tra l’impianto di terra locale e il neutro della BT sono un caso particolare del caso più generale delle tensioni trasferite all’esterno dell’impianto di terra da una qualsiasi massa estranea o struttura metallica (tubazioni, binari, ecc.), o da componenti del circuito elettrico che siano messi a terra localmente (guaine di cavi, funi di guardia) e che si estendano all’esterno del perimetro dell’impianto di terra. Alcuni provvedimenti, elencati nella Norma CEI 11-8, per evitare tensioni di contatto pericolose dovute a tensioni trasferite possono essere: Separazione, interruzione della continuità metallica;  Aumento della resistività superficiale del terreno nella zona circostante usando un ade guato spessore di pietrisco o asfalto, oppure un manto o una pedana di materiale isolante. La zona isolata sarà estesa quanto basta perché non sia possibile toccare le masse pericolose stando all’esterno della zona stessa (per quanto riguarda l’uomo si considera su fficiente una distanza tra la massa potenzialmente pericolosa e il terreno di 1,25 metri); Controllo del gradiente sulla superficie del terreno circostante per mezzo di un dispersore  supplementare, a griglia o ad anelli concentrici, interrato ad una profondità non superiore a 0,5 metri, esteso fino ad una distanza di circa 1 m dalla massa pericolosa. Questo dispositivo supplementare va collegato al dispersore principale se la massa da proteggere è all’interno del perimetro del dispositivo principale, va separato se la massa è all’esterno del perimetro; Segregazione, protezione della zona pericolosa con barriere o parapetti che ne impedi scono l’accesso, con distanza minima tra le barriere e le masse sempre di 1,25 metri. Le barriere devono sempre portare cartelli monitori e possono essere oltrepassate solamente da personale addestrato.

4.2 Funi di guardia Le funi di guardia, se collegate ad entrambi i terminali alle terre di stazione, drenano una consistente quota della corrente di guasto a terra verso la sorgente di alimentazione (verso il centro stella del trasformatore di rete), rendendo più facile rispettare i limiti di tensione di contatto sul dispersore di stazione. Dove questo collegamento è possibile, il contributo delle funi di guardia può essere considerato nel progetto dell’impianto di terra dello stabilimento industriale, vale a dire che la verifica per la tensione di contatto deve essere estesa ai primi pali fuori dalla stazione. La messa a terra dei primi sostegni dovrebbe essere adeguatamente incrementata, oppure si andrebbero ad adottare i provvedimenti sopra citati se ad una verifica le tensioni di contatto risultano fuori dei limiti. Un altro rimedio potrebbe essere quello di isolare la fune di guardia sul sostegno che non rientra nei parametri di sicurezza trasferendo il problema ma attenuato sui pali più lontani.

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Capitolo 4

4.3 Guaine metalliche dei cavi Per le guaine metalliche dei cavi, se queste sono collegate a terra a entrambe le estremità e se non sono interrotte, si tratterà solo di verificare che, per guasto in una delle due cabine, non si producano nell’altra tensioni di contatto superiori ai valori ammessi e viceversa. Poiché i cavi hanno normalmente una guaina isolante protettiva anticorrosione esterna, non ci saranno tensioni di passo o di contatto lungo il percorso. I rivestimenti metallici dei cavi si comportano in tal caso come dei conduttori di terra isolati che collegano impianti di terra separati, è necessario quindi verificare la tenuta dielettrica e il dimensionamento termico degli schermi. Se invece, per qualche motivo, i rivestimenti metallici dei cavi dovessero venire interrotti (di solito alla periferia dell’impianto di terra) i pozzetti dell’interruzione saranno muniti di una loro messa a terra separata e i rivestimenti metallici dei cavi interrotti saranno adeguatamente protetti, per esempio una guaina metallica sarà messa a terra e l’altra isolata per la tensione di terra della co rrispondente cabina. Adeguati provvedimenti dovranno essere presi per tutelare la sicurezza del personale durante i lavori di manutenzione.

4.4 Masse estranee 4.4.1 Tubazioni metalliche fuori terra

Se la tubazione poggia su sellette, alla periferia della rete di terra la tubazione è interrotta da due flange isolanti a cavallo della prima sella di appoggio all’esterno della rete di terra, isolata da terra. Se il fluido convogliato è acqua o altra sostanza anche parzialmente conduttrice, il tratto di tubazione compreso tra le flange isolanti è a sua volta provvisto di un isolamento interno ottenuto con bitumazione o vernice adeguata, onde impedire che il fluido cortocircuiti le flange. Per il resto il trasferimento di tensione avviene attraverso il tubo metallico, miglior conduttore rispetto l’acqua. 4.4.2 Tubazioni metalliche interrate

L’inserzione del tratto isolante si fa di solito subito fuori dalla periferia della rete di terra locale, per una lunghezza di una decina di metri. Se il decadimento del potenziale è lento, come succede quando la resistività del terreno è bassa, sarà forse necessario ripetere l’interruzione per un’altra decina di metri un po’ più a valle. Va però ricordato che al giorno d’oggi è consuetudine usare tubazioni isolanti anche se non e ntrano in impianti industriali o nelle sottostazioni elettriche, ma transitano in prossimità di queste, in quanto possono raccogliere tensioni considerevoli. 4.4.3 Binari ferroviari di servizio

Come masse estranee, saranno messi a terra sull’impianto, e pertanto saranno in terrotti in corrispondenza dei giunti, fuori della periferia della rete di terra, con inserti isolanti nei giunti, più canotti e rondelle isolanti per i bulloni, per un tratto lungo come il treno, ad evitare che i vagoni cortocircuitino i giunti isolanti. Nel caso di binari che servono la trazione elettrica opportuni accordi devono essere presi con l’ente ferroviario. 4.4.4 Recinzioni metalliche interne o esterne

All’interno di un dispersore superficiale esteso, quale può essere una rete magliata interrata, difficilmente si potranno riscontrare delle tensioni di contatto superiore ai valori ammessi, ma punti critici possono invece trovarsi alla periferia della rete, in particolare sulle recinzioni, sulle porte delle cabine in muratura, e sui cancelli, sempre se metallici.

Tensioni trasferite all’esterno dell’impianto di terra

Figura 9: Separazione su tubazione fuori terra.

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Capitolo 4

Figura 10: Interruzione dell’acquedotto con un tratto di materiale isolante.

Tensioni trasferite all’esterno dell’impianto di terra

Figura 11: Interruzione continuità elettrica delle rotaie.

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Capitolo 5 Interferenze tra impianto di terra e strutture metalliche esterne Si è già visto nei capitoli precedenti che tensioni trasferite possono essere riscontrate anche in tubazioni, binari o altri conduttori metallici che non siano galvanicamente collegati con l’impianto di terra, ma che transitino solamente in sua prossimità. In tali casi si può parlare di interferenza dell’impianto di terra su conduttori metallici esterni. Una massa estranea (tubazione o binario) che lungo il suo percorso attraversa la zona di influenza, può essere messa in tensione dal dispersore durante un guasto a terra. E’ possibile supporre che il potenziale di questa massa estranea sia nullo, tanto che tra essa e il terreno circostante si viene a creare una tensione di contatto che può arrivare a una frazione rilevante della tensione totale di terra.

5.1 Pali delle linee aeree di II e III categoria ubicati nell’area dell’impianto utili zzatore. Le condizioni da svolgere sono diverse secondo che la linea aerea alimenti o meno l’impianto ut ilizzatore. 5.1.1 Palo di linea aerea che alimenta l ’impianto utilizzatore

L’impianto di terra dell’utente è già dimensionato per la corrente che può stabilirsi v erso terra a causa di un guasto a terra sul palo. Il collegamento del palo all’impianto di terra locale, migliora pertanto le condizioni di sicurezza sul palo in caso di guasto a terra sul palo e sull’impianto utili zzatore per guasto sull’impianto stesso. Restano tuttavia da verificare, per entrambi i casi, che sul palo non si stabiliscano condizioni pericolose. In alternativa il palo deve essere recintato, in modo da evitare il contatto delle persone e tensioni di passo pericolose e la distanza della recinzione dal palo deve essere stabilita mediante appunto la misura delle tensioni di passo. 5.1.2 Palo di linea aerea che non alimenta l’impianto utilizzatore (linea passante)

Non deve essere possibile toccare contemporaneamente il palo e una massa collegata all’impianto di terra dell’utente nelle normali condizioni di esercizio. Inoltre per un guasto a terra sul palo non devono verificarsi tensioni di contatto e di passo pericolose. Le norme di legge non richiedono la sicurezza contro i contatti indiretti sui pali delle linee aeree esterne, ma il Distributore se interessato non deve rifiutare una collaborazione per migliorare le condizione di sicurezza (asfaltatura, recinzione, anello di terra). Non converrà collegare il palo all’impianto di terra utente, se l a linea aerea presenta una corrente di guasto a terra maggiore della corrente per la quale è dimensionato l’impianto.

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Capitolo 5

Figura 12: Esempio connessione a terra del palo.

Capitolo 6 Il dispersore in impianti di I categoria 6.1 Il dispersore Il dispersore è composto da un corpo metallico o da un complesso di corpi metallici, posto in intimo contatto elettrico con il terreno e utilizzato intenzionalmente o di fatto, per disperdere correnti elettriche. Si distingue tra dispersori intenzionali, installati per principali motivi elettrici, e dispersori ausiliari che possono essere utilizzati ad integrazione del dispersore intenzionale, al quale in tal caso devono essere collegati tramite conduttori equipotenziali. Il contributo dei dispersori ausiliari di fondazione alla riduzione della resistenza totale di terra può essere determinante. Nell’ambito di uno stabilimento è opportuno che i singoli dispersori dei vari impianti vengano co llegati fra di loro a mezzo di conduttori di terra in modo da realizzare in pratic a per l’intero stabilimento un unico grande dispersore, traendone notevoli vantaggi dal punto di vista della resistenza globale di terra, con conseguente riduzione delle tensioni di contatto e di passo ai bordi della griglia.

Figura 13: Dimensioni minime degli elementi di un dispersore intenzionale.

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Capitolo 6

6.2 Dispersore magliato, o a griglia Il dispersore è costituito essenzialmente da una griglia interrata alla profondità di 50 - 80 cm, curando che il terreno intorno ai conduttori sia sciolto e non pietroso. Il materiale è rame o acciaio zincato a caldo, in forma di conduttore cordato, bandella o tondino. La scelta del materiale dipenderà dall’intensità di corrente, dalla resistenza meccanica e dalla resistenza alla corrosione chim ica ed elettrochimica. L’acciaio zincato è sconsigliato in terreni acidi. L’alluminio come dispersore non è ammesso perché tende a ricoprirsi di uno strato di ossidi isolanti. La dimensione delle maglie è compresa tra i 6 m e i 12 m circa, nelle zone dove le masse da collegare a terra sono addensate, ma può essere molto maggiore nelle zone in cui le masse sono più rarefatte. Un dispersore esteso come quello a griglia può essere assimilato ad un elettrodo a piastra. La resistenza di terra di un dispersore a piastra circolare è data da:

dove: : resistività del terreno alla profondità corrispondente al raggio del cerchio equivalente avente la stessa area del dispersore a griglia; A : area della piastra circolare equivalente all’area del dispersore a griglia. Essendo l’area del cerchio equivalente

, si ha che:

Indicando con p il perimetro della rete di terra, in alternativa si può usare l’espressione:

Come si vede, la resistenza di un dispersore a griglia, purché sufficientemente magliata, dipende solo dalle sue dimensioni esterne, e non dalle dimensioni delle maglie; quest’ultime hanno solo una funzione equipotenziale, cioè quella di ridurre le tensioni di contatto e di passo.

6.3 Resistenza di un dispersore verticale, o picchetto La resistenza di un dispersore verticale è data da:

dove: L : lunghezza del picchetto; d : diametro picchetto; : resistività terreno.

Il dispersore in impianti di I categoria

La formula si semplifica in:

se il rapporto

è grande, cioè >100, come in realtà succede per un vero picchetto.

I picchetti profondi possono anche essere utili quando il terreno in profondità abbia resistività molto inferiore alla resistività del terreno in superficie. I picchetti in tal caso dovranno avere una lunghezza tale da interessare gli strati profondi più conduttivi. Se i picchetti sono più di uno, ad evitare mutue influenze, dovranno essere piantati ad una distanza tra loro pari almeno alla loro lunghezza, meglio ancora al doppio della loro lunghezza. In queste condizioni la resistenza dei picchetti sarà uguale alla resistenza in parallelo di tutti i picchetti e, se i picchetti sono un complemento del dispersore a griglia, la resistenza totale può essere valutata in prima approssimazione come risultante dalle resistenze in parallelo della griglia e dei picchetti:

6.4 Altri dispersori La resistenza di terra di un conduttore orizzontale interrato e di lunghezza L è data da:

dove d è il diametro del conduttore. La resistenza di terra di un dispersore ad anello è:

dove D è il diametro dell’anello e d è il diametro del conduttore.

6.5 La resistività del terreno La resistività del terreno è un fattore comune a tutte le formule della resistenza di un dispersore. Il valore della resistività , in Ωm, varia sensibilmente con il tipo di terreno, la granulometria, la densità, l’umidità ed il contenuto di sali. Valori medi sono dati nella tabella seguente. Tipo di terreno

Resistività terreno ρ E (Ωm)

Terreno paludoso Terriccio, argilla, humus Sabbia Ghiaietto Pietriccio Arenaria Granito Morena Asfalto

da 5 a 40 da 20 a 200 da 200 a 2500 da 2000 a 3000 generalmente inferiore a 1000 da 2000 a 3000 fino a 50000 fino a 30000 ≥50000

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Capitolo 6

La misura della resistività del terreno, a diverse profondità, può essere fatta direttamente attraverso il metodo di Wenner o dei quattro picchetti.

6.6 Metodi per migliorare la conducibilità del terreno Quando un impianto di terra deve essere realizzato in un terreno ad alta resistività, può risultare conveniente agire sul terreno stesso anziché aumentare la consistenza o il numero dei dispersori. Con gli interventi descritti nel seguito si possono conseguire effetti benefici sulle resistenza totale di terra, sulle tensioni di passo e contatto e sulla stabilità dei valori di resistenza. Per ridurre la resistività elettrica del terreno si possono usare due tecniche: Sostituzione del terreno circostante i dispersori: rappresenta il provvedimento concet tualmente più semplice e consiste nel prevedere durante la posa dei dispersori la sostituzione del terreno circostante a questi ultimi con altro di tipo organico che in certi casi può semplicemente riempire i volumi vuoti tra i sassi. In questo modo si migliora il comportamento del dispersore aumentando la superficie di contatto con il terreno e riducendo la resistività di quest’ultimo. Recentemente è stato proposto il ricorso alla bentonite, un’argilla fortemente igroscopica che si trova in natura ed è di origine vulcanica. Essa pr esenta un valore di resistività pari a 2,5 Ωm con il 300% di umidità, non è corrosiva ed è chimicamente stabile. La bassa resistività risulta dal processo elettrolitico tra acqua, sodio, magnesio, potassio e calcio. Con l’aggiunta di acqua aumenta di ben 13 volte il suo volume a secco e aderisce fortemente alle superfici con le quali viene in contatto. Se esposta al sole, tende ad essiccarsi in superficie ed a formare una crosta che previene l’essiccazione degli strati più profondi. Da quanto detto sopra, la bentonite necessita di acqua per ottenere le caratteristiche richieste. Una volta iniettata nel terreno, essa tende a trattenere l’umidità e le sue prestazioni iniziali. In terreni estremamente aridi questo equilibrio viene lentamente perso per cui è necessaria l’irrorazione periodica. Trattamento del terreno: Si ricorre a soluzioni di cloruro di sodio e solfato di rame versati  nel terreno, specie in corrispondenza dei dispersori a picchetto. L’efficacia di questi tra ttamenti è però limitata in quanto i sali vengono dispersi nel terreno in caso di pioggia. In commercio sono presenti prodotti studiati allo scopo che una volta immessi nel terreno producano precipitati conduttori in grado di trattenere l’acqua. Si utilizzano due diverse soluzioni saline che reagendo tra loro formano una massa gelatinosa con diverse diramazioni capillari. L’azione del prodotto è meno influenzata dalle va riazioni stagionali del contenuto di umidità nel terreno e dalle piogge. Il metodo può essere applicato facilmente sia alle prese di terra nuove sia a quelle esistenti e a qualsiasi forma di elettrodo ad eccezione di pozzi tubolari immersi nelle falde freatiche. A parità di condizioni la riduzione relativa della resistenza della presa di terra dopo il trattamento è tanto maggiore quanto più la resistenza iniziale è elevata per cui i risultati migliori si hanno nei terreni più difficili. Con trattamenti di questo tipo si ottengono riduzioni della resistenza di terra che vanno dal 25% all'80% ed anche oltre. Ciò significa che quando sono necessari più elettrodi in parallelo, il loro numero può essere ridotto.

6.7 Dimensionamento termico del dispersore a griglia Una volta nota la corrente nel dispersore, dai calcoli effettuati per la corrente di guasto a terra, e il relativo percorso di richiusura, la sezione dei conduttori interrati viene calcolata con la seguente formula basata sul riscaldamento degli stessi:

dove:

Il dispersore in impianti di I categoria

A : sezione (mm 2); I : corrente che percorre l’elemento del dispersore (A); t : tempo di eliminazione del guasto (s); K : coefficiente dipendente dal materiale e dalle temperature iniziali e finali ammesse. La Norma limita la temperatura finale di un conduttore interrato a 400 °C. Se per temperatura iniziale si assume quella ambiente di 30 °C, il coefficiente K è 229 per il rame e 78 per l’acciaio zincato. La corrente di dimensionamento termico del dispersore è la corrente di guasto a terra , perché la suddivisione tra i vari circuiti di ritorno avviene più a valle, nei loro punti di connessione alla griglia stessa.

6.8 Dimensionamento termico dei conduttori di terra La formula per il calcolo della sezione è la stessa del dispersore, ma cambiano sia il valore di K sia il valore della corrente. Il valore di K cambia perché diminuisce la temperatura finale ammessa per il conduttore di terra, cioè 200 °C per i conduttori nudi. Per i conduttori isolati la temperatura finale varia a seconda dell’isolante. La corrente di dimensionamento è la corrente di guasto , ma se i conduttori di terra di una stessa massa sono più di uno, la

si può considerare ripartita sui diversi conduttori. Nelle reti con

neutro isolato è buona norma considerare la corrente di doppio guasto a terra. Si ripetono qui di seguito i valori di K e le dimensioni minime per conduttori di terra, prescritti dalla norma CEI 11-8.

K ,

temp. fin. 200°C A

2

(mm )

Rame

Alluminio

Acciaio

159

105

58

16

35

50

37

Capitolo 7 Impianto di terra disperdente di II categoria 7.1 Generalità In genere tali sistemi elettrici sono eserciti con neutro isolato o messo a terra tramite impedenza, la corrente di guasto a terra è dell’ordine del centinaio di ampere. Nei sistemi in cui il neutro è direttamente a terra anche nella II categoria, si applicano le direttive trattate per i sistemi di III categoria. In modo duale se i sistemi in alta tensione vengono eserciti con neutro isolato o connesso a terra tramite impedenza allora l’impianto di terra sarà gestito come per i sistemi di II categoria. L’impianto di terra in media tensione deve essere costituito da un anello, posto a circa un metro di distanza dal perimetro della cabina elettrica ed interrato a circa mezzo metro di profondità. Tale anello sarà interconnesso con la rete di terra generale dello stabilimento. Prima di procedere al progetto di un impianto di terra, occorre valutare se si tratta di un impianto di terra disperdente o di conduzione.

Figura14: L’impianto di terra può svolgere funzione disperdente (caso A); oppure prevalentemente funzione di conduzione (caso B).

7.1.1 Funzione disperdente

È il caso in cui la corrente di guasto di un impianto si disperde nel terreno, per poi richiudersi tramite un’impedenza al generatore anch’esso connesso a terra. L’impedenza può essere costituita dalla resistenza di messa a terra di un polo del generatore, generalmente il neutro, oppure dalla reattanza capacitiva e dalla resistenza di isolamento delle fasi verso terra. A tutto l’impianto di terra, non solo al dispersore, viene attribuita la funzione disperdente.

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Capitolo 7

7.1.2 Funzione di conduzione

Nel caso il guasto a terra corrisponda ad un corto circuito, la corrente non si disperde prevalentemente nel terreno, poiché la resistenza di terra è cortocircuitata dal collegamento metallico che unisce il punto di guasto al generatore. In questo caso, il dispersore svolge il compito di condurre la corrente di guasto, senza disperderla nel terreno. All’impianto di terra viene attribuita la f unzione di conduzione.

7.2 Limiti di sicurezza Per garantire la sicurezza delle persone in un impianto in media tensione, in caso di guasto a terra, si può andare a limitare la tensione totale di terra o le tensioni di contatto e di passo. Tuttavia quando la corrente di guasto monofase è modesta, dell’ordine della decina di ampere, è più semplice e vantaggioso limitare la tensione totale di terra. Secondo la norma CEI 11-8 per la media tensione si applicano i limiti di tensione di contatto e di passo definiti per i sistemi di alta tensione: Tensione di contatto e di passo, 50 Volt per t > 1 secondo;  Tensione di contatto e di passo, 125 Volt per t < 1 secondo.  Con t tempo totale di eliminazione del guasto dei dispositivi di protezione preposti. Sempre secondo la stessa norma, l’impianto di terra è ritenuto idoneo a garantire la sicurezza contro i contatti indiretti se la tensione totale di terra non supera il 20% dei limiti indicati per le tensioni di contatto e di passo. Si vanno quindi a soddisfare i limiti: Tensione totale di terra, 63 Volt per t > 1 secondo;  Tensione totale di terra 150 Volt per t < 1 secondo. 

7.3 Dati di progetto Per il progetto dell’anello di terra sono necessari i seguenti dati: Corrente di guasto a terra e tempo totale d’eliminazione d el guasto da parte delle prote zioni; Resistività del terreno.  7.3.1 Corrente di guasto e tempo d’intervento delle protezioni

Sono entrambi valori forniti dall’ente Distributore di energia elettrica, in caso di autogenerazione si considera la corrente di guasto monofase a terra. 7.3.2 Resistività del terreno

La resistività del terreno deve essere misurata accuratamente, aumentando progressivamente la distanza tra gli elettrodi del quadripolo di Wenner, fino ad una distanza pari a un quarto del perimetro dell’anello. Se l’anello di terra è collegato a dispersori esterni (ad esempio le guaine metalliche dei cavi di al imentazione o la rete di terra dello stabilimento) una parte della corrente di guasto si richiude attraverso tali dispersori. Si può assumere che almeno il 20-30% della corrente di guasto confluisca verso le guaine dei cavi della rete di alimentazione pubblica in media tensione. Per quanto riguarda invece la frazione di corrente di guasto che va a disperdersi nel terreno attraverso l’impianto di terra dello stabilimento, deve essere valutata secondo le considerazioni del paragrafo 8.3.1.

Impianto di terra disperdente di II categoria

Si è così in grado di stimare la corrente di guasto che l’impianto di terra di media tensione deve realmente disperdere. Tuttavia trascurando queste dispersioni si ottiene un impianto di terra maggiormente cautelativo nei riguardi della sicurezza, a scapito dell’economia.

7.4 Formule utili nella progettazione In fase di progetto si vanno ad utilizzare formule che restituiscono i valori delle tensioni di contatto (entro e fuori l’anello di terra) e di passo a vuoto, mentre i limiti di sicurezza sono forniti a car ico di 1000 Ω ottenendo così un impianto tanto più cautelativo quanto maggiore è la resistività s uperficiale del terreno. Di seguito sono proposte le formule ottenute per via sperimentale, pertanto non sempre attendibili per la disomogeneità del terreno e delle variazioni stagionali, per un dispersore ad anello di perimetro p, senza maglie e senza picchetti. Resistenza di terra:

Tensione di contatto a vuoto all’interno dell’anello:

Tensione di contatto a vuoto esterna, sugli spigoli dell’anello: con un perimetro compreso tra 8 e 20 metri: 



con un perimetro compreso tra 20 e 200 metri:

Per perimetri superiori a 200 metri si può ritenere prudenzialmente una tensione pari al caso di perimetro di 200 metri. Tensione di passo all’interno ed all’esterno dell’anello:

dove con p si intende il perimetro dell’anello.

7.5 Metodologia di progetto Si procede tracciando a progetto il perimetro dell’anello in modo che comprenda per almeno un metro le masse più periferiche dell’impianto. Con le formule presentate al paragrafo 7.4 si calcola la resistenza di terra e successivamente la tensione totale di terra.

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42

Capitolo 7

Se la tensione di terra soddisfa i limiti indicati dalla normativa, l’anello è sufficiente ai fini della sicurezza e si calcolano le tensioni di contatto e di passo per maggior informazione. Se la tensione di terra non soddisfa i limiti di sicurezza indicati dalla normativa si procede a verificare il rispetto dei limiti per le tensioni di contatto e di passo co n le formule del punto 7.4. In entrambi i casi si possono considerare le sole tensioni e se è sicuro presumere che nessuna massa sia presente sul bordo esterno dell’anello, in caso contrario il dimensionamento andrà fatto in base alle tensioni e risulterà però più gravoso ma a favore della sicurezza. Se le tensioni di contatto e di passo superano i limiti di sicurezza, si ripete il procedimento di calcolo con un perimetro maggiore dell’anello. Quando il parametro è molto elevato, non rimane che adottare una rete magliata al pari del caso di III categoria. Per quanto riguarda l’equipotenzialità e le tensioni trasferite verranno fatto alcune considerazioni per il caso di alta tensione, anche se si hanno valori inferiori dato il tipico minor valore della corrente di guasto.

Capitolo 8 Impianto di terra disperdente di III categoria 8.1 Generalità Tali sistemi vengono generalmente eserciti con il neutro direttamente a terra, dove la corrente di guasto a terra assume valori nell’ordine della decina di kA. Se il neutro è isolato o connesso a terra tramite impedenza si applica la metodologia tipica del sistema di II categoria. In alta tensione, per garantire la sicurezza delle persone, l’impianto di terra deve assumere la g eometria di una rete magliata in modo tale da garantire quanto più possibile l’equipotenzialità nel terreno nel quale si disperde la corrente di guasto.

8.2 Limiti di sicurezza Per garantire la sicurezza delle persone in caso di guasto a terra si può intervenire limitando: La tensione totale di terra, condizione sufficiente ma non necessaria;  Le tensioni di contatto e di passo.  In alta tensione a causa degli elevati valori della corrente di guasto non è in pratica possibile limitare la tensione totale di terra, poiché la resistenza di terra dovrebbe essere dell’ordine del centesimo di ohm. Si considerano quindi le tensioni di contatto e di passo in un qualsiasi punto dell’impianto, in riferimento alla norma CEI 11-8 si hanno 50 Volt per tempi superiori al secondo e 125 Volt se il tempo totale d’interruzione del guasto è inferiore al secondo.

8.3 Dati di progetto Per il progetto della rete magliata di terra sono necessari i seguenti dati: Corrente di guasto a terra e tempo totale d’eliminazione del guasto da parte delle prot e zioni Resistività del terreno  Superficie disponibile  8.3.1 Corrente di guasto e tempo d’intervento delle protezioni

Si deve individuare la corrente e l’energia specifica passante che l’impianto di terra è chiamato a disperdere, cioè la corrente utile ai fini del progetto della rete di terra. La corrente di guasto a terra ed il tempo di intervento delle protezioni sono forniti dall’ent e Distributore che alimenta l’impianto utilizzatore in alta tensione, mentre nel caso di autogenerazione si considera la corrente di guasto monofase a terra. Se alla rete magliata sono collegati dispersori esterni, come ad esempio la fune di guardia della linea aerea o la rete di terra dello stabilimento industriale, una parte della corrente di guasto si richiude attraverso tali dispersori, anche se non è facile valutarne la frazione. Prudenzialmente si può assumere che un 10 ÷ 20% della corrente di guasto si richiuda direttamente al generatore at-

44

Capitolo 9

traverso la fune di guardia, mentre per quanto riguarda la rete di terra dello stabilimento, in mancanza di dati precisi, è ragionevole ipotizzare (soprattutto se sufficientemente estesa e sono presenti anche dispersori di fatto) che se ne richiude almeno il 30 ÷ 60%. 8.3.2 Resistività del terreno

La resistività del terreno è di natura prevalentemente elettrolitica ed è dunque ovvia la sua dipendenza dall’umidità e dalla temperatura, all’aumentare delle quali diminui sce. Mentre passando da un terreno asciutto ad uno umido la resistività può ridursi anche di dieci volte, l’influenza della temperatura è trascurabile, tanto che se all’aumento di temperatura corrisponde una dim inuzione dell’umidità nel complesso si avrà un aumento della resistività del terreno. Per temperature inferiori a quella di congelamento la resistività inoltre subisce un incremento notevole, tanto che esistono delle variazioni stagionali della stessa negli strati superficiali del terreno. Se il terreno non è omogeneo,ai fini del progetto dell’impianto di terra si può assumere una res istività media, valore già ottenuto attraverso la misura (il metodo Wenner fornisce una resistività media dello strato di terreno di profondità pari alla distanza tra le sonde). Ai fini del progetto si può considerare la resistività misurata con una distanza pari ad un quarto del perimetro della rete di terra. 8.3.3 Superficie disponibile

Se la superficie per realizzare l’impianto di terra è in qualche modo limitata, potre bbe rendersi necessario impiegare elementi di dispersione verticali. Dall’ampiezza della rete di terra, in relazione alla posizione delle masse periferiche, dipende ino ltre quale tensione di contatto considerare ai fini del progetto, ovvero al tensione di contatto centrale, periferica, esterna.

8.4 Parametri di progetto I parametri sui quali agire per conseguire gli obbiettivi di sicurezza per mezzo di una rete di terra magliata, possono essere così riassunti:  Profondità di interramento della rete;  Perimetro della rete;  Lato di maglia. 8.4.1 Profondità di interramento della rete

La profondità di interramento della rete influisce sulla resistenza di terra e sulle tensioni di contatto e di passo. All’aumentare della profondità di interramento diminuiscono la r esistenza di terra e la tensione di passo, ma aumenta la tensione di contatto. Tenuto conto dei vantaggi e degli svantaggi al variare della profondità, delle variazioni stagionali della resistività dello strato superficiale del terreno, della necessità di sottrarre la rete alle sollecitazioni meccaniche, si adotta in genere una profondità di interramento di circa mezzo metro. 8.4.2 Perimetro della rete

Le tensioni di contatto più elevate si formano ai bordi esterni della rete e all’interno, in corrispo ndenza delle maglie periferiche, in particolare nelle maglie d’angolo. Per evitare che una persona possa essere soggetta a tensioni di contatto pericolose, è opportuno che la rete si estenda per almeno una o due maglie oltre le masse più periferiche. Nell’individuare le masse più periferiche occorre considerare anche i probabili sviluppi dell’impianto.

Impianto di terra disperdente di III categoria

Le tensioni di passo più elevate si collocano sui bordi esterni della rete, in corrispondenza delle diagonali. All’aumentare del perimetro della rete diminuiscono la resistenza di terra, la tensione di contatto e quella di passo. Le tensioni di contatto sono in genere maggiori delle tensioni di passo, ma quest’ultime diventano invece maggiori all’interno della maglia quando il lato di maglia è piccolo (4 ÷ 6 metri). 8.4.3 Lato di maglia

La magliatura ha lo scopo di avvicinare il potenziale del terreno a quello delle masse e nel contempo di contenere le variazioni di potenziale tra punti massimi del terreno, tanto più efficacemente quanto più è piccolo il lato di maglia. Il lato di maglia influisce poco sulla resistenza di terra, tanto meno quanto maggiore è il perimetro della rete. Non si adotta un lato di maglia inferiore di 4 metri, perché alla maggior spesa non corrispondono adeguati vantaggi per la sicurezza. Similmente non si considerano lati di maglia maggiori di 20 metri, poiché non permettono di conseguire in genere una equipotenzialità sufficiente. 8.4.3.1 Formule per il calcolo delle tensioni di contatto, di passo e della resistenza di terra

Le tensioni di contatto e di passo possono essere misurabili sull’impianto con un voltmentro di impedenza infinita, ottenendo tensioni a vuoto. Per quanto riguarda invece i limiti di sicurezza si considerano le tensioni di contatto e di passo a carico, misurate con strumenti con resistenza interna di 1000 ohm (carico equivalente dell’uomo) e si ottiene una condizione tanto più cautelativa tanto maggiore è la resistività dello stato superficiale del terreno (ad esempio con uno strato di asfalto si riducono notevolmente le tensioni di contatto e di passo). Le formule, ottenute con metodi sperimentali, non sempre forniscono risultati soddisfacenti, anche a causa della disomogeneità del terreno e delle variazioni stagionali della resistività. Si considera una rete di terra magliata senza picchetti, con maglia di lato quadrato. In casi particolari di maglie rettangolari si può assumere il lato del quadrato equivalente. Rete magliata (senza picchetti) Lato di maglia L (m) 20

12

8

6

4

Tensione di contatto centrale UC (V)

45

46

Capitolo 9

Rete magliata (senza picchetti) Lato di maglia L (m) 20

Tensione di passo U P (V)

12

8

6

4

Rete magliata (senza picchetti) Lato di maglia L (m)

Tensione di contatto periferica U’ C (V)

20

12

8

6

4

Rete magliata (senza picchetti) Lato di maglia L (m) 20

12

8

6

4

Resistenza di terra (Ω)


Rete magliata (senza picchetti) Lato di maglia L (m)

Tensione di contatto esterna UCE (V)

20

12

8

6

4

8.5 Metodologia di progetto Dopo aver tracciato il perimetro della rete e proceduto al calcolo della tensione di contatto e di passo secondo i valori della resistenza di terra e le formule già indicate, si prosegue verificando i limiti di sicurezza. Se i valori di e non rientrano, si procede riducendo progressivamente il lato di maglia. Qualora le tensioni non rientrassero ancora nei limiti anche con il lato di maglia fino a 4 metri a causa dell’elevato valore della corrente di guasto o della resisitività del terreno, si risolve andando ad allargare il perimetro della rete o aggiungere picchetti periferici agli angoli della rete. Preferibilmente si tende ad aumentare il perimetro della rete, solamente se non c’è spazio disponibile si adottano i picchetti periferici e nei casi più gravosi occorrerà procedere con entrambe le soluzioni. Si può inoltre prevedere un abbattimento del 50% delle tensioni di contatto e di passo calcolate se si procede, ad impianto terminato, alla stesura di un manto bituminoso o di ghiaia. Qualora siano previste masse sulle maglie periferiche della rete in luogo della tensione di contatto centrale si dovrà considerare la tensione di contatto periferica o addirittura la tensione di contatto esterna

rendendo più gravosa la progettazione dell’impianto di terra, ottenendo pe-

rò valori più cautelativi. Le valutazioni economiche in relazione a particolari situazioni contingenti possono naturalmente influire sulle scelte tecniche da adottare. Se, come spesso accade, la rete magliata è collegata con altri elementi disperdenti alla rete (fune di guardia, rete di stabilimento, ecc.) occorre accertarsi che presso questi non si stabiliscano delle tensioni di contatto e di passo pericolose in relazione alla frazione di guasto che essi sono impegnati a disperdere. Gli stessi conduttori nudi, di collegamento tra anelli di terra, in contatto con il terreno sono veicoli di dispersione della corrente di guasto, ma questa viene trascurata a favore della sicurezza. Se da una parte è conveniente avere il conduttore di collegamento tra i diversi anelli di terra nudo ed in contatto con il terreno, dall’altra potrebbe dare origine a tensioni di passo pericolose. La massima tensione di passo, in questo caso, può essere valutata secondo la formula:

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48

Capitolo 9

dove: ρ : resistività del terreno; : corrente che percorre il conduttore; h : profondità di interramento. Il gradiente di tensione ha il suo massimo ad una distanza dalla verticale del conduttore pari alla sua profondità. È sempre il caso di ricordare che il progetto di un impianto di terra disperdente è sempre un progetto di massima. L’impianto di terra una volta realizzato deve essere sottoposto a verifica str umentale, per accertare che siano stati raggiunti gli obbiettivi di sicurezza. 8.5.1 Equipotenzialità

Una persona è esposta al pericolo di folgorazione quando entra in contatto simultaneamente con parti a potenziale differente. Dato che le masse estranee si trovano praticamente al potenziale di terra, una persona che si dovesse trovare a toccare, durante un guasto a terra, una massa ed una massa estranea sarebbe soggetta ad una tensione prossima a quella totale. Dualmente le masse estranee possono esportare potenziali pericolosi all’esterno della rete magliata. Se l’impianto di terra presenta una tensione totale maggiore dei limiti indicati (50 V se t > 1 s o 250 V se t < 1 s) occorre fare in modo che le masse estranee che si estendono oltre l’area equipotenziale dell’impianto di terra, non trasferiscano tensioni di contatto e di passo pericolo se. Si adottano i criteri generali presentati in capitolo 4.4. Viceversa all’interno dello stabilimento si tende, per quanto possibile, a migliorare l’equipotenzialità e non a separare gli elementi metallici tra loro. Qualora in sede di verifica dell’impianto di terra si dovessero misurare tensioni di contatto o di passo pericolose, in corrispondenza di masse estranee connesse con la rete di terra, si dovranno adottare i criteri generali definiti in capitolo 4.1. 8.5.2 Recinzioni

Eventuali recinzioni metalliche situate all’interno della rete di terra vanno collegate all’impianto in quanto considerate agli effetti masse estranee. Invece per quanto riguarda le recinzioni metalliche esterne alla rete magliata, se collegate a terra, potrebbero trasferire potenziali pericolosi, è pertanto preferire quando possibile adottare recinzioni non metalliche o ben isolate. Non si collega la recinzione metallica all’impianto di terra quando è sufficientemente esterna dalla rete di terra tanto da rendere ragionevolmente vera l’ipotesi in impossibilità di un contatto simultaneo tra una massa in potenziale di guasto e la recinzione. Eventuali lampade o apparecchiature in BT appoggiate alla recinzione dovranno avere livello di isolamento di classe II. L’eventuale collegamento a terra della recinzione metallica, se necessario o richiesto, deve essere effettuato mediante una corda interrata ad un metro di distanza verso l’esterno, ad una profond ità di mezzo metro. Occorre inoltre aumentare la resistività superficiale del terreno mediante pietrisco o asfalto ai lati della recinzione sia all’interno che all’esterno per un’ampiezza di circa un metro. Se la recinzione si trova all’interno di un grosso complesso industriale e situata in mezzo ad altri impianti di terra, non rimane altra soluzione che collegarla all’impianto generale di terra ai fini dell’equipotenzialità.


8.5.3 Ferri d’armatura

In un grosso stabilimento industriale, accanto ai dispersori intenzionali, esiste una moltitudine di dispersori di fatto che contribuiscono in modo preponderante alla dispersione di corrente e ad equipotenzializzare l’area. I dispersori di fatto più importanti sono i ferri costituenti l’armatura delle fondazioni di calcestruzzo. Anche se i ferri non sono direttamente interrati possono comunque essere considerati in intimo contatto con il terreno in quanto la resistività del cemento cambia fortemente con l’umidità e dal momento che il cemento si porta alla stessa umidità del terreno, in prima approssimazione cemento e terreno possono essere considerati con la stessa resistività. Se si cerca un impianto di terra particolarmente sicuro, in fase di progetto si ignora completamente il contributo dei dispersori di fatto alla dispersione di corrente, anche se nella realizzazione verranno poi connessi. In questo modo si ha maggior certezza che, ad impianto terminato, i limiti di sicurezza siano rispettati senza ulteriori interventi, a scapito però dell’economia. Nel caso si tenga conto in fase di progetto anche dei ferri di armatura delle fondazioni, ai fini dell’equipotenzialità all’interno dell’anello periferico di terra, si può assimilare la situazione di rete magliata con lato di maglia di 4 metri. Talvolta è opportuno, in sede di progetto, programmare il migliore coordinamento dei dispersori naturali (o di fatto) con quelli intenzionali. Si considera inoltre ancora valido il contributo all’equipotenzialità anche se, per ragioni edili, il cemento è ricoperto da bitume. L’esperienza dimostra anche che la legatura a regola d’arte edile è in generale sufficient e a garantire una buona continuità elettrica.

Figura 15: Esempio di collegamento dell’impianto di terra al dispersore ausiliario di fondazione.

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Capitolo 9

Capitolo 9 Impianto di terra di conduzione in II e III categoria Questo caso ricorre quanto il generatore, o il trasformatore, ha il neutro collegato alla stessa rete di terra delle masse o a un impianto di terra metallicamente connesso a quello del neutro. Se il neutro e le masse sono collegate alla stesse rete di terra magliata, che svolge la funzione di impianto di terra disperdente nei confronti di un guasto in alta tensione, si può assumere che l’insieme sia sufficientemente equipotenziale e non occorre far altro.

Figura 16: Esempio tipico di terra di conduzione nell’ambito delle stessa rete magliata. L’impedenza Z è presente in media tensione e non in alta tensione.

Figura 17: A) E sempio di terra di conduzione costituita da una rete magliata e da un anello di terra interconnesso. B) Schema equivalente del circuito di guasto; R N: resistenza di terra della rete magliata; R T: resistenza di terra dell’anello; ZP: impedenza del conduttore di ritorno.

Detta

la corrente di primo guasto a terra e

della corrente

l’impedenza dell’insieme dei conduttori di ritorno

, dalla massa considerata al centro stella del sistema elettrico, devono essere ve-

rificate le condizioni: ≤ 60 V per t > 1secondi; ≤ 150 V per t ≤ 1secondi.

Impianto di terra di conduzione in II e III categoria

L’impedenza

del conduttore di ritorno può essere calcolata nei modi seguenti.

Conduttore in rame non installato in tubo protettivo di materiale ferromagnetico:

dove: : resistenza del conduttore; : raggio della sezione del conduttore; D : distanza del conduttore di protezione dai conduttori di fase; L : lunghezza del conduttore. Se il conduttore è in ferro, la permeabilità magnetica µ0 va sostituita con quella del ferro µ fe nel valore approssimato corrispondente al range delle correnti in gioco. Conduttore in rame installato dentro un tubo in materiale ferromagnetico, separatamente dal conduttore di fase:

dove: b raggio esterno del tubo; a raggio interno del tubo. L’installazione del conduttore di ritorno in un tubo protettivo di materiale ferromagnetico è fo rtemente sconsigliata a causa dell’elevato valore della reattanza. Le condizioni sulla tensione potrebbero non essere soddisfatte a causa del l’elevato valore di , ma poiché la massa è inserita in un anello di terra, si può tener conto dell’elevazione del potenziale del terreno percorso da una frazione della corrente . Si procede come indicato di seguito. Si determina la corrente che va ad interessare l’impianto di terra di resistenza

dove

e

:

possono essere calcolate con le formule già esposte per la rete magliata in alta ten-

sione e per l’anello di terra in media tensione. Per Si calcola quindi la massima tensione di contatto

e

vedi figura 17.

mediante la formula già nota:

Se in luogo dell’anello di terra vi fosse la rete magliata la tensione di contatto andrebbe calc olata con le formule indicate al punto 8.4.3.1.

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Capitolo 9

Se il collegamento di impedenza

non è isolato ma costituito da una corda nuda, quanto sud-

detto è ancora valido a favore della sicurezza. Se la tensione di contatto non rientra nel limite di sicurezza si dovrà procedere a magliare l’anello con lato di maglia progressivamente più piccolo e ripetere le verifiche. Nella realtà di un grande complesso industriale parte degli impianti di terra possono essere considerati in parallelo a e parte in parallelo a , tanto che lo schema già presente in figura 17 mantiene la sua validità in forma semplificativa. Infine in un impianto industriale molto spesso ci si trova in pratica nelle condizioni di figura 16 grazie all’elevato numero di dispersori naturali, soprattutto nelle fondazioni. In tal caso, si assume che la maglia di terra unica e generale sia sufficiente a garantire la sicurezza e non è necessario a procedere con alcun calcolo.

9.1 Conduttori di terra e di protezione Il conduttore di terra è il conduttore che collega i dispersori al collettore o nodo principale di terra. Il conduttore che collega i dispersore, se isolato, è anch’esso un conduttore di terra. Il condu ttore di protezione è il conduttore che collega le masse al collettore o nodo principale di terra. 9.1.1 Sistemi di II e III categoria

Nei sistemi di II e III categoria non si fa distinzione tra conduttori di terra e conduttori di protezione, ma per entrambi esistono dei limiti. La sezione espressa in mm 2 (che garantisce di non superare i 200°C sui conduttori, attraversati dalla corrente I per un tempo di 1 secondo) del collegamento a terra delle masse di sistemi di II e III categoria non deve essere inferiore di: I/160 con un minimo di 16 mm 2 per i conduttori in rame;  I/100 con un minimo di 35 mm 2 per i conduttori in alluminio;  I/60 con un minimo di 50 mm 2 per i conduttori in acciaio.  Dove la corrente I espressa in ampere è la corrente di progetto della rete di terra disperdente. Negli impianti di terra di conduzione (sistemi di II e III categoria con neutro messo a terra tramite impedenza senza interruzione automatica del primo guasto) occorre considerare la corrente di doppio guasto a terra. Anche se tale evento è trascurato ai fini della protezione contro le tensioni di contatto, va tuttavia considerato per quanto riguarda le sollecitazioni termiche, poiché queste possono compromettere permanentemente l’efficienza del conduttore di terra e/o di protezione. Ovviamente nel caso in cui la formula restituisse una sezione non unificata si deve scegliere la sezione immediatamente superiore.

Capitolo 10 Impianto di terra di protezione delle cabine MT/BT 10.1 Generalità La terra di protezione ideale dovrebbe presentare, nel collegamento dispersore-terreno, un impedenza complessiva nulla. In tal modo sarebbe assicurato il mantenimento del potenziale di terra e l’assenza di gradini di potenziale lungo il circuito,per qualsiasi condizione in cui venisse a tr ovarsi l’elemento messo a terra indipendentemente dal valore e dalla fo rma della corrente verso terra. Tale condizione non è realizzabile ma, agli effetti infortunistici, sarà sufficiente che le tensioni di passo e di contatto siano inferiori ai valori stabiliti dalle norme (figura 18, 19). La limitazione dei valori della tensione di passo e di contatto implica lo studio del dispersore che nella maggior parte dei casi può essere evitata se la tensione totale di terra dell’impianto non è maggiore di 1,2 volte la tensione di contatto o di passo oppure non è maggiore di 1,8 e siano soddisfatte le seguenti condizioni: sia presente un dispersore orizzontale con configurazione ad anello chiuso avente un pe rimetro massimo di 100 m; le masse da collegare a terra siano tutte contenute all’interno del perimetro del dispers o re orizzontale. Quando si potranno contenere i valori della tensione totale di terra inferiori ai limiti citati, il progetto dell’impianto di terra potrà essere effettuato esclusivamente in base all’impedenza di terra. Detta la massima tensione di terra ammessa (si trova dal grafico ammessa-tempo di eliminazione del guasto), se si verifica che:

dove

è la corrente di guasto a terra, non occorrerà controllare il valore delle tensioni di passo e

di contatto.

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Capitolo 10

Figura 18: Tensione di contatto e tensione di passo.

Figura 19: Grafico riportante i valori di tensione di contatto e di passo ammesse in funzione del tempo di eliminazione del guasto e tensioni totali di terr a massime ammesse che consentono l’esenzione dalla misura del le tensioni di contatto e passo.

10.2 Strutture da mettere a terra Secondo le norme CEI 11-1 si devono mettere a terra tutte le parti conduttrici, facenti parte dell’impianto elettrico, che non sono in tensione in condizioni di normale isolamento, ma che possono andare in tensione in caso di cedimento dell’isolamento principale e che possono essere toccate. Inoltre si devono mettere a terra le parti conduttrici che pur non facenti parte dell’impianto elettrico sono suscettibili nell’introdurre il potenziale di terra. In particolare per quanto riguarda le cabine debbono essere curate le messe a terra di: parti metalliche accessibili delle macchine e delle apparecchiature, le intelaiature di sup porto degli isolatori e dei sezionatori, i ripari metallici dei circuiti elettrici; organi di comando a mano delle apparecchiature;  cornici e telai metallici che circondano i fori o dischi di materiale isolante attraversati da  conduttori e le flange degli isolatori passanti; l’incastellatura delle sezioni dell’impianto. 

Impianto di terra di protezione delle cabine MT/BT

Nessuna indicazione specifica viene data riguardo le porte e i finestrini metallici che quindi potranno non essere messi a terra evitando in tale modo la presenza di tensioni di contatto elevate verso l’esterno della cabina.

10.3 Messa a terra del neutro BT Le norme CEI 11-8 consentono il collegamento del neutro (terra di funzionamento) dei sistemi di I categoria all’impianto di terra della cabina se la tensione totale di terra non supera 250 V nel caso di sistemi nel caso di sistemi di I categoria TT e IT. Si potrà effettuare tale operazione in tutte le cabine che soddisfino i requisiti sulla ed alle quali non sia collegata alcuna linea aerea MT al fine di evitare la propagazione sul neutro di sovratensioni impulsive provenienti da tali linee. Nel caso in cui il neutro venga collegato ad un impianto di terra separato e la tensione totale di terra non superi il valore limite di 250 V si deve accertare che tutti i componenti dell’impianto di I cat egoria situati entro l’area dell’impianto verifichino la relazione:

dove: : valore della tensione di prova verso terra a frequenza industriale per 1 minuto del componente di I categoria; : valore della tensione totale di terra; : valore della tensione nominale verso terra del sistema di I categoria.

10.4 Criteri generali di progettazione Per il progetto degli impianti di terra di protezione si possono individuare tre tipi di cabine: 1) cabina senza strutture metalliche nei suoi dintorni; 2) cabina con strutture metalliche nei suoi dintorni; 3) cabina con o senza strutture metalliche nei suoi dintorni ma collegata ad estesa rete in cavo. È da sottolineare che i criteri di progetto degli impianti di terra che verranno esposti nei successivi paragrafi forniscono un utile indirizzo che dovrà essere confrontato con successive verifiche sul terreno.

10.5 Progettazione dell’impianto di terra per cabine di tipo 1 I dispersori di terra possono essere superficiali o profondi (figura 20, 21). Per prima cosa bisogna scegliere tra i due il tipo più opportuno in base alla resistività del terreno. Quando la resistività superficiale del terreno è bassa, si impiegano i dispersori superficiali di figura 20, scegliendo il più conveniente in funzione del valore della resistività stessa e del valore di resistenza che bisogna ottenere affinché il passaggio della corrente di guasto generi una tensione totale di terra inferiore a quella prevista dalle norme (permettendo l’omissione della misura delle tensioni di passo e co ntatto). Chiamata la massima tensione ammessa dalle norme CEI 11.8 (che è funzione della struttura dell’impianto di terra che si vuole progettare e del tempo di estinzione della corrente di guasto), ricordando la relazione che lega la resistenza dell’impianto di terra alla resistività, si può scrivere:

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Capitolo 10

dove: : resistività del terreno; K : fattore di forma del dispersore considerato; : massimo valore di resistenza che l’impianto di terra può assumere per soddisfare i requisiti richiesti.

Fig 3a: Dispersore quadrato con picchetti ai vertici.

Fig 3b: Dispersore piramidale:

Fig 3d: Dispersore quadrato con elementi radiali da 3 metri. Fig 3c: Dispersore quadrato con elementi radiali da 6 metri. Figura 20: Dispersori superficiali con lato del quadrato 5m (Fig 3 a, 3 b, 3 c, 3 d); Dispersori superficiali con lato del quadrato 6 metri fanno riferimento alle stesse figure con numerazione Fig 4 a, 4 b, 4 c, 4 d.


Figura 21: Dispersori profondi componibili a giunto automatico.

In figura 22, 23 vengono riportate le caratteristiche dei dispersori superficiali precedentemente considerati. Ipotizzando che la linea, alla quale viene allacciata la cabina, abbia dei dispositivi di protezione per cui il guasto monofase a terra venga estinti in 550 ms, la massima tensione di contatto/passo ammissibile dalle Norme CEI 11.8 sarà 142 V. in tale situazione la massima tensione di terra ammessa sarà (nel caso tutte le masse metalliche collegate siano interne all’anello altrimenti il coefficiente moltiplicativo vale 1,2). Si ipotizzi inoltre che la corrente di guasto calcolata con la relazione oppure rilevato da una misura diretta, sia pari a 30 A e che la resistività del terreno (misurata) sia 100 Ωm. Il massimo valore di resistenza che l’impianto in proge tto potrà assumere sarà pari a:

Osservando il grafico di (figure 22, 23), si può desumere che in corrispondenza di una resistività del terreno pari a 100 Ωm, è sufficiente la realizzazione di un impianto di terra strutturato come in (figura 20). Il picchetto profondo invece deve essere usato quando si è in presenza di uno strato superficiale di terreno ad alta resistività (tipicamente ghiaioso o sabbioso ) con terreno argilloso ad alta conducibilità in profondità (10÷15 m). L’accertamento della supposta diminuzione di resistività deve essere accertato tramite la rispettiva misura. La profondità effettiva di interramento del picchetto profondo verrà determinata in base alle progressive misurazioni della resistenza di terra del dispersore durante le operazioni di infissione. Le operazioni di infissione potranno ritenersi concluse quando si sarà raggiunto il valore di .. Giova ricordare che le misurazioni di

, in tali condizioni, darà sempre valori superiori a quelli che si avranno dopo qualche

tempo in quanto il picchetto deve ancora aderire bene al terreno. Tutto quanto è stato detto vale nel caso la cabina sia alimentata esclusivamente in aereo; qualora fosse collegata anche a più linee in cavo, bisognerà tenere conto anche del drenaggio della corrente di terra da parte delle guaine dei cavi.

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Capitolo 10

Figura 22: Valori di massima resistenza di terra in funzione della resistività del terreno per i dispersori di figura 20, riferiti alle Fig3.

Figura 23: Valori di massima resistenza di terra in funzione della resistività del terreno per i dispersori di figura 20, riferiti alle Fig4.

10.5.1 Tensione totale di terra superiore ai limiti ammessi

Se la resistività del terreno rende impossibile,con i dispersori superficiali o profondi, un valore della tensione totale di terra inferiore ai limiti ammessi dalle Norme, occorre progettare un dispersore con l’obbiettivo di contenere le tensioni di passo e contatto entro i valori stabiliti dalle norme. Il valore massimo delle tensioni di contatto all’interno della cabina è normalmente più del doppio delle tensioni di passo e quindi ci si dovrà occupare del controllo delle prime. Chiamato il rapporto tra il valore massimo di tensione di contatto rilevabile su ciascuno dei dispersori analizzati ed il relativo valore di tensione totale di terra, si può scrivere la seguente relazione:


dove: : massima tensione di contatto/passo ammessa dalle norme in funzione del tempo di eliminazione del guasto; : fattore di forma del dispersore; ρ : resistività del terreno supposto omogeneo. Tale relazione permette di tracciare il grafico di figura 24, 25 ,una curva limite caratteristica di ciascun dispersore. Noti , e ρ, si individua un punto sul piano, se tale punto s i trova sull’area sottostante la curva limite significa che, per quel dispersore e per quel valore di resistiv ità, non è possibile contenere le tensioni di contatto al di sotto dei limiti imposti dalle norme CEI per cui bisogna passare ad un dispersore di diversa struttura.

Figura 24: Curve limiti dei dispersori di figura 20 riferiti alle dimensioni di Fig 3.

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Capitolo 10

Figura 25: Curve limiti dei dispersori di figura 20 riferiti alle dimensioni di Fig 4.

Si supponga di essere in presenza di un terreno con resistività pari a 140 Ωm,

e venga

interrotta in 550 ms (quindi tensione massima di contatto pari a 160 V). In tali condizioni si può vedere dalla figura 22 che affinché l’impianto di terra soddisfi le condizioni sulle massime tensioni di contatto dovrà essere progettato con una struttura del tipo di Fig.3c che, possedendo una resistenza complessiva di 6 Ω, presenterà una tensione totale di terra di 480 V. Se è possibile colleg are l’armatura metallica delle fondazioni della cabina all’anello principale del dispersore di terra, allora l’interno diviene pressoché equipotenziale e la massima tensione di contatto si riduce not evolmente. Verrà inoltre trascurata cautelativamente la diminuzione della resistenza del dispersore dovuta al collegamento con l’armatura delle fondazioni. Nella tabella che segue sono riportati, per i vari tipi di dispersori considerati, i valori che assume il rapporto nel caso di fondazione collegata ( ) o non collegata ( ). Dispersore

figura

F2

F1

F2/F1

Quadrato Quadrato Piramidale Piramidale Ad elementi radiali Ad elementi radiali Ad elementi radiali Ad elementi radiali

3a 4a 3b 4b 3c 4c 3d 4d

0,39 0,41 0,29 0,31 0,34 0,38 0,37 0,40

0,27 0,27 0,19 0,20 0,25 0,27 0,26 0,28

1,46 1,52 1,53 1,54 1,35 1.41 1,42 1,43

Se è possibile considerare porte e finestrini metallici isolati dall’impianto di terra o, se possibile, adottarli in materiale isolante (in quanto le tensioni di contatto all’esterno della cabina possono essere più elevate), si potrà, a parità di resistività del terreno, dimensionare l’impianto di terra per una corrente volte maggiore che in assenza del collegamento dell’armatura al dispersore.


10.6 Progettazione dell’impianto di terra per cabine di tipo 2 10.6.1 Tensione totale di terra inferiore ai limiti ammessi

La progettazione dell’impianto di terra nel caso di presenza di corpi metallici in prossimità della cabina deve essere fatta tenendo presente l’art.3.1 delle norme CEI 11.8 il quale riporta tes tualmente: “Nessun provvedimento è necessario se la tensione totale di terra è inferiore ai valori indicati in 2.1.04 per tensioni di contatto.” Tale vincolo viene a risultare più restrittivo rispetto quanto riportato nel paragrafo 10.5.1 in quanto manca il coefficiente maggiorativo pari a 1,2 o 1,8. In questa categoria di cabine si deve cercare di utilizzare ogni accorgimento per contenere la tensione totale di terra a valori inferiori ai limiti ammessi. In tale maniera si evita di indurre tensioni di contatto pericolose su strutture metalliche eventualmente presenti. Si sottolinea che eventuali impianti di terra di utenti BT che potenzialmente possono entrare in contatto con l’impianto di cabina sono da considerare come corpi metallici fuoriuscenti dal perimetro dello stesso che dovrà quindi essere dimensionato con i limiti restrittivi di cui sopra. È inoltre utile ricordare che generalmente grosse interferenze tra impianti di terra si verificano solo in zone fortemente urbanizzate ove è presente una estesa rete in cavo che contribuisce ad abbassare notevolmente l’impedenza di guasto facilitando il raggiungimento dei limiti suddetti. 10.6.2 Tensione totale di terra superiore ai limiti ammessi

Quando non si riesce a contenere la tensione totale di terra a valori inferiori a quelli prescritti al punto 2.1.04 delle norme CEI 11.8 per le tensioni di contatto, si dovrà progettare l’impianto di te rra, non solo in funzione del valore delle massime tensioni di passo e contatto interne alla cabina, ma bisognerà anche tenere conto delle tensioni di contatto che possono manifestarsi sulle strutture metalliche esterne al fabbricato. Queste potranno essere sostanzialmente di due tipi: Di piccola estensione (cartelli stradali, sostegni di illuminazione, ecc.)  Di grande estensione (cancellate, guardrail, ecc.)  Per limitare le tensioni trasferite a tali strutture le Norme CEI 11.8 indica i seguenti provvedimenti: 1. Interruzione della continuità dei corpi metallici (separazione); 2. Aumento della resistività dello strato superficiale del terreno circostante (modifica della resistività superficiale); 3. Controllo dei gradienti di tensione sulla superficie del terreno circostante; 4. Segregazione o isolamento degli elementi e delle aree in cui si localizzano tensioni pericolose. Separazione. Il provvedimento consiste nell’interruzione dei corpi metallici in prossimità del perimetro dell’impianto di terra e, quando necessario, anche in altri punti. Tali interruzioni devono present are, anche nelle condizioni ambientali più sfavorevoli (pioggia, terreno umido, ecc.), caratteristiche di isolamento tali da garantire la tenuta alla tensione che si manifesta ai loro capi in conseguenza della massima corrente di guasto a terra(in caso di tubazioni si deve tenere conto della conducibilità elettrica del fluido trasportato).

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Capitolo 10

Controllo dei gradienti. Il provvedimento consiste nel collegare i corpi metallici ad un dispersore supplementare avente forma e dimensione tali da consentire una riduzione dei gradienti superficiali di tensione. Segregazione ed isolamento. Il provvedimento consiste nell’adottare opportune barriere che impediscono il contatto con tutti i corpi metallici che presentino tra loro o verso terra tensioni pericolose, mantenendoli fuori dalla portata di mano oppure impedendo l’accessibilità all’area ad essi circostante. L’accesso a tali aree deve essere consentito solo a persone addestrate in grado di eliminare temporaneamente le condizioni di pericolo o di scegliere ed adottare i mezzi protettivi più idonei. La segregazione può essere omessa quando la presenza di persone non addestrate in tali aree sia molto improbabile. Si può inoltre evitare “a monte” il problema costruendo la cabina a distanza di rispetto dai corpi metallici estranei.

10.7 Progettazione dell’impianto di terra per cabin e di tipo 3 Queste cabine, essendo collegate ad estese reti in cavo MT, presentano le maggiori correnti di guasto monofase a terra ma nel contempo hanno valori di tensione totale di terra molto bassi (decine di volt) poiché, per il collegamento realizzato dalle guaine metalliche dei cavi, messe a terra in ogni cabina MT/BT, tutti i dispersori delle cabine MT/BT afferenti una stessa cabina primaria contribuiscono in pratica a disperdere la corrente di guasto. Per cabine collegate ad una estesa rete di cavi MT il modulo della tensione totale di terra è dato da un’espressione del tipo:

dove: : è un fattore di riduzione compreso tra 0 e 1; : impedenza di terra del dispersore misurata con metodo volt-amperometrico mantenendo ad esso collegate le guaine dei cavi; : corrente di guasto monofase a terra. Il coefficiente di riduzione K dipende dal mutuo accoppiamento che si stabilisce durante il guasto tra i circuiti formati dal fascio dei conduttori ed il terreno e dalle guaine metalliche dei caviterreno. Il mutuo accoppiamento in parola sussiste in tutte le linee MT collegate alla stessa sbarra in cabina primaria, poiché in un sistema a neutro isolato in tutte le linee che escono radialmente dalla stessa sbarra di cabina primaria durante il guasto di una di esse è presente una componente omopolare di corrente che sia a coppia magneticamente con la corrente che fluisce nella guaina. Risultato di questa mutua induzione è che la risulta ridotta rispetto al semplice prodotto di un coefficiente K che, in rilevazione sperimentali si è trovato valere anche 0,3. Tale coefficiente di riduzione dipende dalla configurazione della rete di cavi MT ed è in generale tanto più piccolo quanto più estesa ed interconnessa la rete delle guaine e minore è la resistenza di queste. Sono state inoltre effettuati rilevamenti in zone ad elevata resistività ove, in parallelo alle guaine, vengono collegate corde di rame da 35 mm 2 in intimo contatto con il terreno. I risultati sperimentali evidenziano come la presenza di questo conduttore abbassi l’impedenza equivalente rilevata in assenza di guasto non abbia allo stesso modo un significativo effetto du-


rante un guasto reale. La motivazione va individuata nel fatto che durante la prova voltamperometrica viene direttamente iniettata nel punto di guasto da un generatore esterne mentre nel caso reale proviene dalla linea MT. In questo ultimo caso gli accoppiamenti magnetici citati all’inizio del paragrafo hanno un influenza tale da rendere poco funzionale e soprattutto antieconomica su detta corda. In relazione alle molteplici situazioni di rete si considererà sempre cautelativamente K=1. Il progetto dell’impianto di terra si realizza quindi facendo in modo che sia

.

Ora le reti MT sono esercite radialmente, ma possiedono lungo il loro percorso collegamenti, normalmente sezionati con altre linee. Questo implica che di norma tutti i dispersori propri delle cabine MT/BT (intesi come dispersori locali senza la presenza delle guaine dei cavi) allacciate ad una rete MT in cavo sono collegati fra loro tramite le guaine dei cavi MT che fungono da conduttori di terra e, conseguentemente, tutti contribuiscono a disperdere la corrente di guasto prodotta in qualunque cabina. Per progettare l’impianto di terra di queste cabine bisognerà conoscere il legame tra il valore della resistenza del dispersore proprio di cabina ed il valore della che risulta quando ad esso vengono collegate le guaine dei cavi. A questo legame non è possibile dare una espressione analitica dipendendo da: forma della rete di guaine, densità delle cabine Mt/bt per km 2 di superficie e quindi distanza tra le stesse, resistenza e reattanza dei singoli tronchi di guaine e resistività del terreno. È possibile però per le cabine MT/BT afferenti ad una cabina primaria costruire una tabella in cui si riportino per ogni cabina secondaria il valore della resistenza propria dell’impianto di terra ed il valore della quando al dispersore proprio sono collegate le guaine dei cavi. Analizzando detta tabella sarà possibile desumere il valore massimo ammissibile per il dispersore locale di una nuova cabina una volta imposto il valore di . Probabilmente in corrispondenza al medesimo valore di

si potranno avere diversi valori di resi-

stenza dei quali si potrà prendere cautelativamente il più basso o, se ciò fosse troppo oneroso, effettuare la scelta affinando l’indagine per ricercare analogie tra la situazione dei cavi delle cabine già costruite e quelle da realizzare.

10.8 Progettazione dell’impianto di terra del posto di trasformazione su palo Le norme CEI 11.1 dichiarano che “ le installazioni su palo dei trasformatori e condensatori non vanno considerate come cabine, ma come parte delle linee aeree."

La messa a terra di protezione del posto di trasformazione su palo potrà avvenire su una superficie di contatto del terreno per i dispersori di almeno 0,25 m 2. Come cassetta per la protezione degli interruttori bt potrà essere usata una cassetta in materiale isolante. In figura 26 vengono rappresentati rispettivamente lo schema delle messe a terra nel caso di impiego di spinterometri e scaricatori nonché la disposizione dei dispersori nel caso che il posto di trasformazione su palo utilizzi pali in c.a.c o in acciaio. La messa a terra di funzionamento del neutro BT dovrà essere di norma indipendente dalla messa a terra di protezione del palo del posto di trasformazione.

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Capitolo 10

Figura 26: 1) SPD spinterometrici a gas per linea MT; 2) Linea MT; 3) Trasformatore MT/BT n° 76859; 4) Linea BT 1; 5) Linea BT 2; 6) Quadro BT illuminazione pubblica; 7) Quadro BT di distribuzione; 8) Conduttore di terra per la connessione al dispersore delle masse MT, BT, e SPD.


Figura 27:Messa a terra su palo in c.a.c. secondo direttive ENEL.

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Capitolo 11 Dimensionamento alle tensioni di contatto e di passo 11.1 Determinazione delle U C e UP Per le tensioni di contatto le Norme non danno nessuna direttiva per il loro calcolo. In effetti la previsione del valore della tensione di contatto in una rete di terra magliata, ma integrata da dispersori ausiliari o di fatto di diversi tipi, quali fondazioni metalliche o in calcestruzzo armato, tubazioni interrate, binari, schermi di cavi, ecc., è molto aleatoria. Esistono in letteratura delle relazioni più o meno empiriche risultanti da ricerche alla vasca elettrolitica per le e in un dispersore intenzionale a griglia, con maglie regolari, in terreno omogeneo. Attualmente l’andamento delle tensioni all’interno delle maglie può essere determinato con ca lcolatori, tramite adatti programmi. Si dimostra che la griglia a maglie quadrate non è la migliore; a parità di lunghezza di conduttore interrato maglie lunghe e strette, cioè una rete impostata solo su file parallele, danno minori tensioni di maglia (e quindi anche di contatto e di passo), soprattutto alla periferia della griglia, che è la zona più critica. I collegamenti trasversali, sotto questo punto di vista, non dovrebbero essere estesi oltre la necessità di collegamento a terra delle masse. Ciò significa, in altre parole, che al fine di definire la contano solo i conduttori paralleli in una sola direzione, avendo gli altri in direzione perpendicolare solo la funzione di connessione delle masse al dispersore. Oggi il metodo più affidabile per il dimensionamento della rete di terra nei riguardi delle

è cer-

tamente quello di ricorrere ad adatti programmi di calcolo, però i valori che risulteranno saranno tutti approssimati per eccesso perché difficilmente potranno tener conto di tutti i contributi dei dispersori di fatto che verranno ad integrare in corso d’opera il dispersore intenzionale. Perciò per installazioni complesse e per elevati valori della tensione di terra, dovuti ad elevate correnti di guasto, o ad elevata resistività del terreno, le verifiche sul posto sono altamente raccomandabili.

11.2 Rimedi, provvedimenti correttivi Qualora il calcolo o le misure sul posto mettessero in evidenza alcuni luoghi o punti nei quali la > , dove la è la ammessa (vedi tabella pagina 8), si consiglia di ricorrere ai seguenti provvedimenti correttivi: controllo locale del potenziale infittendo localmente le maglie del dispersore a griglia ove  possibile; aumento della resistività superficiale del terreno nella zona circostante il luogo critico,  mediante ricopertura del terreno con asfalto, pietrisco, ecc.; segregazione, cioè protezione della zona pericolosa con barriere o parapetti che impedi scano l’accesso alla zona pericolosa ad altri che non siano persone autorizzate e quindi adeguatamente equipaggiate.

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Capitolo 11

11.3 Esecuzione dell’impianto di terra Riassumendo in linea generale sulla base dei dati fondamentali di partenza si elabora innanzi tutto un progetto base. I dati fondamentali di partenza sono: la corrente di guasto ;  il tempo di durata del guasto ;  la resistività presunta o misurata del terreno ;  le dimensioni principali dell’installazione e la sua configurazione geometrica per quel che  possa essere rilevante nei confronti dell’impianto di terra; lo schema elettrico dell’alimentazione e della distribuzione;  eventuali vincoli esterni, come ferrovie, tubazioni interrate e fuori terra, e altre masse e stranee di rilevante estensione. Il progetto base consiste nel disegno di prima approssimazione dell’impianto di terra comprensivo di dispersori intenzionali, quali la griglia principale e gli eventuali altri elettrodi supplementari come picchetti ecc. e di dispersori di fatto già prevedibili in fase di progetto, quali le fondazioni in cemento armato, eventuali pali di fondazione ed altre strutture metalliche interrate di rilevante estensione. Per i dispersori intenzionali si procede al dimensionamento termico e quindi alla definizione delle sezioni come indicato al paragrafo 6.6 e 6.7. Sulla base dello schema elettrico di alimentazione, e cioè: autoproduzione, centro stella dei trasformatori di alimentazione collegati all’impianto di terra, nonché accordi con autorità esterne che permettano eventualmente di valersi di conduttori di ritorno nel sistema elettrico esterno di alimentazione, si può definire la corrente di terra . Con queste premesse si può calcolare in via preliminare la resistenza di terra presunta dell’impianto e la sua tensione di terra

:

A questo punto si procede seguendo le fasi dello schema a blocchi presente nella Guida CEI 11-37, riportato di seguito.

Dimensionamento alle tensioni di contatto e di passo

Figura 27: Schema a blocchi per le tensioni di contatto U CA = Uc ammissibile.

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Capitolo 11

11.3 Protezione contro la corrosione Quando due metalli di potenziale elettrochimico diverso sono tra loro in contatto, in ambiente umido, il metallo di segno negativo si corrode tanto più rapidamente quanto più sono distanti tra loro i due metalli nella scala galvanica. Pertanto è da evitarsi, nella realizzazione dell’impianto di terra, l’accoppiamento diretto rame-alluminio e rame-zinco, e a tale scopo il morsetto di rame verrà stagnato, o zincato, o nichelato, o cadmiato; oppure tra i due metalli verrà interposta una lamina di materiale anticorrosione (elettrocupal). In alternativa il giunto può essere del tipo a saldatura alluminotermica o essere adeguatamente protetto dall’ambiente mediante verniciatura, catramatura, nastratura o applicazione di apposite resine.

Figura 28: C orrosione elettrochimica.

Figura 29: Corrosione tra metalli diversi a contatto, immersi in soluzione elettrolitica.

Dimensionamento alle tensioni di contatto e di passo

11.4 Interferenze ad alta frequenza L’impianto di terra per la protezione contro i contatti indiretti è dimensionato alle correnti di guasto a terra a frequenza industriale, cioè 50 / 60 Hz. Ma interferenze ad alta frequenza sono possibili soprattutto a causa di scariche atmosferiche (fulmini) e di sovratensioni di manovra, originate dalla apertura e chiusura di interruttori e sezionatori, e dall’intervento degli scaricatori. I transitori di corrente prodotti da tali sovratensioni possono interferire con il corretto funzionamento dei circuiti di comando e controllo e, più in generale, con tutti i circuiti elettronici. La riduzione dei disturbi in alta frequenza si può ricondurre ad un problema di equipotenzialità dell’impianto di terra, non solo a frequenza di rete ma anche a frequenze più elevate. Ci limitiamo in questa sede ad esaminare i rimedi che si possono prendere in fase di progetto dell’impianto di terra al fine di ridurre l’impedenza dei collegamenti. Tali accorgimenti sono economicamente di modesta rilevanza se presi in fase di progetto, ma possono risultare onerosi se dovessero rendersi necessari come interventi successivi. Elenchiamo di seguito i principali interventi effettuabili in questo senso: percorsi dei conduttori di terra i più corti possibili;  infittire le maglie del dispersore a griglia in corrispondenza delle aree più esposte ai tran sitori di corrente, in particolare scaricatori, riduttori di corrente e di tensione, sezionatori; aumentare il numero dei conduttori di terra di una stessa massa, opportunamente distan ziati tra loro, allo scopo di ridurre l’impedenza del collegamento; fare in modo che i conduttori interrati della griglia siano posati parallelamente e il più vi cino possibile ai cunicoli cavi di comando e controllo; oppure posare nel cunicolo stesso un conduttore di terra supplementare parallelo ai cavi e collegato in 2 o più punti alla rete principale di terra, alla quale verranno collegati gli eventuali schermi dei cavi stessi; tale conduttore supplementare rileverà parte della corrente transitoria che altrimenti avrebbe caricato gli schermi della cavetteria di comando e controllo, se questi fossero stati messi a terra ad entrambe le estremità; collegare all’impianto di terra le armature del cemento armato in più punti, al fine di  sfruttarne l’effetto schermante.

11.5 Altri aspetti esecutivi Le masse e le masse estranee devono essere messe a terra. Spesso però queste masse sono costituite da strutture complesse, supporti, tralicci, tubazioni, passerelle e simili, composte da elementi diversi connessi meccanicamente tra loro in diversi modi. Se queste connessioni sono fisse, tali che togliendole verrebbe ad essere compromessa la funzione stessa della struttura, non è evidentemente necessario mettere a terra singolarmente tutti i suoi componenti. Per altre masse che non hanno funzione statica ma per lo più funzione di barriere di protezione, il criterio per discriminare la messa a terra è quello della possibilità di asportare un componente solo con l’au silio di appositi utensili.

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Capitolo 11

Figura 30: Esempio di collegamento verso terra di un traliccio.

Per entrambi i criteri condizione indispensabile è che la continuità metallica sia sempre assicurata. Come esempio del primo criterio si può pensare ad un equipaggiamento elettrico che è supportato da una struttura a cavalletto, la base metallica dell’apparecchiatura o dell’involucro o della ca rcassa di un motore, può essere messo a terra sul cavalletto, e questo sarà poi messo a terra alla sua base. Se invece si preferisce collegare la massa, vale a dire la carcassa del motore o il basamento dell’apparecchiatura elettrica, direttamente al dispersore tramite il conduttore di terra, allora non è più necessario mettere a terra il cavalletto alla sua base, poiché in questo caso non è più una massa, in accordo con la definizione di massa data al paragrafo 2.6. Questo non significa che non si possa mettere a terra entrambi, è soltanto inutilmente oneroso. Come esempio del secondo criterio si può fare riferimento ad una barriera metallica di protezione contro i contatti diretti, costituita per esempio da telai a rete sostenuti da sostegni metallici ai quali sono rigidamente imbullonati; la barriera deve essere messa a terra almeno in due punti estremi, ma non occorre che siano messi a terra individualmente tutti i telai, se per rimuovere i bulloni che li fissano ai sostegni si deve far uso di una chiave. Se invece i telai sono metallici ma i sostegni sono isolanti, questi devono essere cavallottati, per ristabilire la continuità metallica lungo tutta la protezione; oppure questa volta tutti i telai devono essere messi a terra individualmente. Qualsiasi parte metallica che non sia supporto di circuiti elettrici di categoria I, II e III, non è una massa e quindi non è necessaria la sua messa a terra.

Capitolo 12 Contatti indiretti con e senza impianto di terra In un impianto elettrico il collegamento a terra delle masse è una misura di protezione dai contatti indiretti; è detta anche protezione con interruzione automatica del circuito in quanto viene coordinata con interruttori automatici di massima corrente o differenziali, che aprono il circuito quando si crea una situazione di pericolo. Gli impianti di terra provvisti di tale funzione sono detti di protezione, per distinguerli da: Messa a terra di funzionamento, avente lo scopo di stabilire un collegamento a terra di  determinati punti di circuiti elettrici per esigenze di esercizio, come la messa a terra dei sistemi TT; Messa a terra per lavori , avente lo scopo di stabilire un collegamento temporaneo di una  sezione d’impianto per esigenze di manutenzione o di ispezione, per esempio la messa a terra di un tratto di linea per lavori. Frequentemente un impianto di terra ha la duplice funzione, di protezione e di funzionamento (sistemi TN). Per capire in che modo esplichi la protezione si consideri (figura 31) il caso di cedimento dell’isolamento principale di un’apparecchiatura senza messa a terra (componente di classe 0 e di classe I in un impianto senza terra di protezione). Per ricavare lo schema elettrico equivalente (figura 32) si può trascurare l’impedenza delle linee elettriche di collegamento, perché molto pi ccola rispetto agli altri parametri del sistema e ritenere nulla l’impedenza del guasto: la persona, di resistenza , si viene così a trovare in serie alla sua resistenza verso terra ( ) e a quella di messa a terra del neutro (

). Il circuito è alimentato dalla tensione di fase a vuoto

sformatore in cabina.

Figura 31: Contatto indiretto senza messa a terra, schema elettrico equivalente.

del tra-

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Capitolo 12

Figura 32: Contatto indiretto con messa a terra, schema elettrico equivalente.

La corrente di guasto che si richiude attraverso il terreno e che interessa la persona è data da:

Il valore di

è piuttosto piccolo, a volte minore di 1 Ω e quindi trascurabile; il valore di

va-

ria a seconda del tipo di contatto (presenza di pavimento, tipo di calzature, tipo di terreno ecc.), mentre per si è già detto. La situazione non è pericolosa se 10 mA e quindi, ponendo = 220 V, si deve avere :

da cui:

che è una condizione difficilmente verificata, e pertanto, nella persona fluirà quasi certamente una corrente maggiore del limite di pericolosità convenzionale. In condizioni molto sfavorevoli si può ritenere e, considerando , si ha:

avendo indicato con

la corrente nella persona. Il valore precedente è in grado di produrre fibril-

lazione ventricolare, ma non è, purtroppo, atto a determinare l’apertura del dispositivo di mass ima corrente inserito nel circuito, pur sommandosi alla corrente di normale funzionamento. Applicando la regola del partitore di tensione si ricava la tensione di contatto sulla persona:

Contatti indiretti con e senza impianto di terra

tanto più prossima a

quanto più il rapporto

si avvicina all’unità.

La tensione di contatto a vuoto è evidentemente data da:

nettamente superiore al valore della tensione di contatto limite convenzionale e comunque non sopportabile per più di 200 ms per cui, non intervenendo in tempo utile o non intervenendo affatto la protezione di massima corrente, la situazione risulta senz’altro di estrema pericolosità. Quando invece il guasto (figura 32) si verifica in un impianto dotato di messa a terra (figura 33) lo schema elettrico equivalente è quello della figura 3b, in cui tra la massa M e il punto T0 a potenziale zero vi è la resistenza dell’impianto di terra dell’utente.

Figura 33: Circuito equivalente a quello della figura 23.

La corrente di guasto

si ripartisce tra la resistenza

e la serie

; applicando la regola

del partitore di corrente si ha:

La messa a terra è efficace quando il valore della resistenza

è alquanto minore della serie

in modo da rendere sufficientemente piccolo il rapporto rente

e avere una cor-

di valore inferiore al limite di sicurezza. La protezione dai contatti indiretti mediante

l’impianto di terra si realizza proprio perché si pone in parallelo alla persona una resistenza di piccolo valore, attraverso la quale deve richiudersi la maggior parte della corrente. Per determinare la tensione si può sostituire alla parte di circuito a sinistra del ramo il generatore equivalente di Thévenin,ottenendo:

Il circuito equivalente diventa : (figura 33).

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Capitolo 12

Il valore di e

(vedere sopra), per la regola del parallelo, è minore del più piccolo tra i valori di

e quindi è senz’altro trascurabile rispetto alla serie

, cosicché la tensione

di-

venta:

Confrontando la

appena trovata con quella calcolata in assenza dell’impianto di terra si vede

che la sostanziale riduzione di

e dalla equazione di rapporto

è dovuta al fatto che risulta:

si deduce che tale riduzione è tanto più accentuata quanto minore è il

.non potendo fere molto affidamento sul valore

tà fornitrice, occorre che sia piccolo il valore

, di competenza della socie-

.

Dal circuito della figura 2b si può ricavare la tensione di contatto a vuoto con la regola del partitore di tensione e aprendo il lato ; si ottiene:

mentre in assenza di messa a terra si aveva Considerando per nendo

.

il valore limite 50 V per gli ambienti ordinari della curva di sicurezza e po, si dovrà avere: ;

Da cui si ottiene:

che conferma ulteriormente la necessità di avere piccoli valori della resistenza di terra sicurare una protezione efficace. Se, per esempio, si ha

per as-

, dovrà essere

cir-

ca. È da notare che, data la difficoltà pratica di realizzare impianti con basso valore di

, la sicurezza

aumenta con elevati valori di

, ma, come detto in precedenza, non si può contare molto su

questo, in quanto la resistenza di terra del neutro subisce variazioni non note all’utente e inoltre elevati valori di contrastano con le esigenze della società elettrofornitrice.

Capitolo 13 Dimensionamento ed esecuzione dell’impianto di terra nella sezione di I categoria di installazione industriale con propria cabina di trasformazione

Figura 34: Struttura fondamentale di un impianto di terra.

13.1 Dimensionamento termico di impianto di tipo TT Questa situazione si può presentare solo nel caso in cui i dispersori di cabina e di stabilimento sono separati, e quando si verifichi la condizione < 250 V. La corrente di terra che interessa il dispersore è tutta la corrente di guasto

. Il dispersore viene dimensionato come visto in prece-

denza.

13.2 Dimensionamento termico di impianto di tipo TN In un impianto di tipo TN-C la corrente di guasto ritorna attraverso il co nduttore PEN.

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Capitolo 13

Nell’impianto di tipo TN-S si ha un ritorno delle correnti di guasto tramite i conduttori di protezione e, in dipendenza dell’esecuzione dell’impianto di terra, anche tramite il dispersore. In particolare, se l’impianto è dotato di un solo collettore di terra, il ritorno avviene tramite i soli conduttori di protezione e gli eventuali conduttori equipotenziali, mentre se l’impianto è dotato di più collettori di terra anche i conduttori del dispersore magliato contribuiscono, e spesso in modo prevalente, al ritorno delle correnti di guasto. Si pone quindi il problema di come dimensionare i conduttori della maglia tenendo conto delle correnti di guasto che sono destinati a portare. In merito alla corrente che può giungere ad un lato del dispersore tramite un conduttore di terra; si può seguire lo stesso criterio già indicato al paragrafo 6.8: si può supporre che la corrente che percorre il conduttore di terra, una volta arrivato al lato di maglia, si divida in due parti uguali, quindi la portata del lato di maglia sarà la metà della portata del conduttore di protezione. Considerando che le correnti di guasto a terra in un sistema di I categoria dipendono dalle impedenze dei circuiti di guasto, come in tutte le reti con neutro a terra, si avranno i valori massimi di tali correnti in prossimità del trasformatore, quindi il dispersore in corrispondenza della cabina di trasformazione andrà dimensionato per tali correnti.

13.3 Protezione contro i contatti indiretti 13.3.1 Sistema TT

Poiché nel sistema TT l’impianto di terra dell’utenza è separato da quello della cabina di aliment azione, il dispersore è chiamato a disperdere nel terreno le correnti di guasto a terra. A questa corrente di dispersione si oppongono le resistenze in serie dei due impianti di terra separati. Si possono quindi avere correnti di basso valore che rendono problematico l’intervento di normali protezioni. La relazione che deve essere soddisfatta è la seguente:

dove: : somma delle resistenze del dispersore e dei conduttori di protezione delle masse, in ohm; : corrente che provoca il funzionamento automatico del dispositivo di protezione, in ampere. Se il dispositivo ha una caratteristica di funzionamento a tempo inverso,

è la corrente che pro-

voca lo scatto entro 5 secondi. Tuttavia, è assai difficile nella pratica impiantistica ottemperare a tale prescrizione con protezioni di massima corrente, specialmente in impianti nei quali ha spesso valori piuttosto alti, dell’ordine di qualche ohm. È quindi praticamente indispensabile ricorrere a relè differenziali. In questo caso è la corrente differenziale nominale e l’intervento deve avvenire entro 1 s econdo. Con questo tipo di protezioni, sono sufficienti valori della resistenza di terra facilmente ottenibili anche in impianti di modeste dimensioni. 13.3.2 Sistema IT

Per quanto riguarda il sistema IT, la condizione da rispettare è la seguente:

Dimensionamento ed esecuzione dell’impianto di terra nella sezione di I categoria di installazione industriale con propria cabina di trasformazione

dove: : resistenza del dispersore al quale sono collegate le masse, in ohm; : corrente di guasto nel caso di primo guasto di impedenza trascurabile tra un e una massa, in ampere. Questo non significa che la corrente

, che è ovviamente piccolissima, corrisponda alla corrente

di scatto della protezione, considerato che la prerogativa principale dell’impianto IT è quella di mantenere il servizio anche in caso di un guasto a terra. Il primo guasto a massa deve però essere segnalato ed eliminato nel più breve tempo possibile. Il problema si pone quando il primo guasto non viene eliminato in tempo utile prima che si manifesti un secondo guasto, ovviamente tra un’altra fase e la terra. A questo punto si presentano due situazioni: la prima, vivamente sconsigliata, considera le masse messe a terra individualmente o a gruppi, in tal caso all’impianto si applicano le regole dell’impianto TT (le correnti di guasto attraversano il terreno non essendoci collegamento metallico fra le varie masse). La seconda situazione, da considerarsi usuale, considera le masse tutte collegate allo stesso impianto di terra. In tal caso l’impianto viene a trovarsi in una sit uazione simile a quella di un impianto di tipo TN. 13.3.3 Sistema TN

L’impianto di tipo TN-S è l’unico che permetta, con opportuni provvedimenti, di limitare le tensi oni di contatto a valori inferiori a 50 V, offrendo così un’importante alternativa alla pr otezione mediante interruzione automatica dell’alimentazione. La norma richiede che tra una parte attiva ed una massa o un conduttore di protezione, non possa persistere, per una durata sufficiente a causare un rischio di effetti fisiologici dannosi in una persona in contatto con posti simultaneamente accessibili, una tensione di contatto presunta superiore a 50 V valore efficace in corrente alternata. Risulta chiaro che, quando le tensioni di contatto sono inferiori a 50 V non è richiesta, ovviamente dal punto di vista della protezione contro i contatti indiretti, alcuna interruzione del circuito. Nel caso invece che la tensione di contatto superi i 50 V in corrente alternata, si richiede che sia soddisfatta la seguente relazione: dove: : impedenza dell’anello di guasto; : corrente che provoca l’intervento automatico del dispositivo di protezione entro un stabilito ≤ 0,4 secondi. Tuttavia viene ammesso un tempo di intervento entro 5 secondi per i circuiti di distribuzione e anche per i circuiti terminali che alimentino solo componenti elettrici fissi, con determinate condizioni quando allo stesso quadro o allo stesso circuito di distribuzione che alimenta i componenti elettrici fissi sono collegati anche componenti elettrici mobili (per i quali è richiesto il tempo di scatto ≤ 0,4 s).

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Capitolo 13

13.4 Esecuzione dell’impianto di terra Tutte le parti metalliche ma abitualmente non in tensione di apparecchi elettrici (masse) devono essere collegate ai collettori principali di terra mediante conduttori di protezione. Le masse estranee devono essere collegate alle masse o direttamente ai collettori tramite conduttori equipotenziali.

Figura 35: Esempio di collettore principale di terra.

13.4.1 Impianto forza motrice

Le carcasse dei motori elettrici devono essere collegate mediante conduttore di protezione singolo ad un conduttore di protezione “principale” posato lungo il percorso del fascio di cavi, oppure possono essere anche collegate direttamente ad un collettore di terra. Per quanto riguarda la pulsantiera ci sono diverse soluzioni: può essere collegata al morsetto di terra del motore utilizzando lo stesso conduttore di protezione; si può collegare mediante un altro conduttore di protezione la carcassa del motore al supporto metallico della pulsantiera che sarà a sua volta collegato al conduttore principale di protezione; si può collegare la pulsantiera al conduttore di protezione principale mediante proprio conduttore di protezione. 13.4.2 Impianto prese

Se le prese forza motrice trifasi e monofasi sono alimentate in cavo, il conduttore di protezione è incorporato nel cavo di alimentazione stesso e può venire messo a terra anche lungo il percorso utilizzando a tal fine le prese stesse che sono collegate esternamente ad un collettore di terra.

Dimensionamento ed esecuzione dell’impianto di terra nella sezione di I categoria di installazione industriale con propria cabina di trasformazione

13.4.3 Impianto luce

Per motivi pratici, il conduttore di protezione è generalmente incorporato nei cavi di alimentazione. Si può tuttavia collegarlo in più punti a collettori di terra, utilizzando a questo scopo almeno la prima scatola di derivazione. 13.4.4 Conduttori di protezione

La sezione del conduttore di protezione può essere determinata con la formula:

dove: I : corrente di guasto in Ampere; t : tempo di eliminazione del guasto in secondi; K : coefficiente dipendente dal materiale e dalle temperature iniziali e finali ammesse. Più semplicemente ci si può ottenere alla norma che prescrive per cavi con conduttori di fase fino a 16 mm2 inclusi, conduttore di protezione uguale al conduttore di fase; per cavi con conduttori di fase con sezioni di 25 mm 2 e 35 mm2, conduttore di protezione di sezione pari alla metà di quella del conduttore di fase. I conduttori di protezione sono normalmente costituiti da corde di rame con guaina giallo-verde. 13.4.5 Conduttori equipotenziali

I conduttori equipotenziali sono di due tipi: principali, quelli che collegano masse estranee direttamente a un collettore di terra; supplementari, quelli che collegano le masse (estranee e non) fra loro o le masse con le masse estranee, anche tramite conduttori di protezione. La sezione minima dei conduttori equipotenziali principali è almeno la metà di quella del conduttore di protezione di sezione più elevata dell’impianto con un minimo di 6 mm 2 ed un massimo di 25 mm 2, per conduttori in rame. I conduttori equipotenziali saranno normalmente costituiti da corde in rame isolate con guaina giallo-verde. 13.4.6 Messa a terra del centro stella del lato bassa tensione dei trasformatori di distribuzione

La messa a terra generalmente è fatta all’interno del quadro secondario dei trasforma tori. In tali quadri sarà realizzato un collegamento fra la sbarra di neutro e la sbarra di terra. Questa verrà collegata a terra alle due estremità del quadro. Nel tratto trasformatore-quadro verrà così realizzato un sistema TN-C che però non sarà dotato di alcun organo di sezionamento.

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Capitolo 14 Compatibilità tra impianti di terra di sistemi elettrici a tensione inversa Il problema della compatibilità tra impianti di terra di sistemi elettrici a tensione diversa riguarda soprattutto sistemi di I categoria uscenti (cioè fuori dalla zona dell’impianto di terra) da cabina o sottostazione. Mente non riguarda i sistemi TN realizzati nell’ambito di un unico e generale i mpianto di terra, ad esempio in uno stabilimento. Per i sistemi TT di alimentazione di una utenza lontana dalla cabina o sottostazione, oppure per i sistemi IT (con neutro connesso a terra tramite resistenza) se il neutro è connesso alla terra di cabina o di sottostazione, in caso di guasto a terra sull’alta o media tensione l’isolamento verso terra degli apparecchi in bassa tensione è soggetto ad una tensioni pari alla somma della tensione totale di terra e della tensione di fase (somma in fase nella peggiore ipotesi). Il neutro dei sistemi di I categoria uscenti da cabine o sottostazioni può essere collegato allo stesso impianto di terra solo se la tensione totale di terra è compatibile con l’isolamento degli app arecchi in bassa tensione. Se la tensione totale di terra è superiore a 250 V occorre invece collegare il neutro del sistema di I categoria a un impianto di terra separato da quello della cabina o sottostazione. In questa situazione un guasto a terra sui sistemi di II e III categoria, e la relativa tensione totale, sollecita l’isolamento verso terra del secondario del trasformatore che alimenta il sistema di I categoria e degli altri componenti di I categoria. Occorre allora che la tensione nominale di isolamento verso terra a frequenza industriale sia superiore, con un sufficiente margine di sicurezza, alla tensione totale aumentata della tensione di fase.

Capitolo 15 Prescrizioni particolari 15.1 Impianti di illuminazione stradale interna Il dispersore per impianti di illuminazione stradale può essere costituito da un conduttore nudo interrato parallelamente al cavo di alimentazione e collegato almeno alle estremità al dispersore generale di reparto. Si curerà che il conduttore con funzione di dispersore non colleghi i dispersori di due reparti anche se questi sono collegati fra di loro a mezzo di conduttori di terra. Per evitare ciò, il conduttore con funzione di dispersore verrà interrotto in un punto orientativamente centrale e le due estremità saranno collegate ai due differenti dispersori magliati. Per brevi tratti è consentito che il conduttore sia isolato con funzione di conduttore di protezione.

15.2 Drenaggio cariche elettrostatiche Sulle superfici di contatto di corpi o sostanze fisicamente diverse in moto relativo si generano cariche elettrostatiche che in determinate condizioni di temperatura, pressione, umidità, ecc., possono accumularsi e permanere dopo la separazione dei corpi a contatto, ai quali possono conferire potenziali di alcuni chilovolt. La rigidità dielettrica del mezzo può essere superata causando scariche che possono arrivare a qualche milliampere. L’energia che si libera può determinare l’innesco di sostanze soggette a pericolo di esplosione eventualmente presenti, se supera un certo limite dipendente da diversi fattori ma che può giungere a valori molto bassi, dell’ordine di 10 -5 , 10-4 joule. Devono essere collegati a terra e fra di loro: le parti metalliche delle pareti, dei tetti, delle incastellature, delle macchine e delle tra smissioni; le cinghie delle trasmissioni e i nastri trasportatori a mezzo contatti striscianti;  gli elementi delle tubazioni metalliche per il trasporto delle polveri infiammabili;  le strutture metalliche dei mezzi di trasporto di liquidi infiammabili durante le operazioni  di carico e scarico. Per la messa a terra di tali organi e strutture, si possono impiegare conduttori in piattina di rame stagnata di sezione 20 mm 2 × 4 mm2 o in corda di rame da 16 mm2 stagnata con guaina di PVC. Giunzioni e derivazioni saranno eseguite con saldatura forte o alluminotermica o con morsetti a pressione o a serraggio mediante bulloni in acciaio inossidabile. Se nell’ambiente possono anche formarsi cariche elettrostatiche, il collegamento di terra di corpi conduttori rappresenta la misura di protezione più semplice ed efficace contro il loro accumulo. La dispersione delle cariche elettrostatiche è assicurata se la resistenza verso terra non supera il megaohm.

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Capitolo 15

Per eliminare le cariche elettrostatiche che si accumulano su corpi non conduttori, occorre adottare altri sistemi alternativi, quali ad esempio l’umidificazione o la ionizzazione dell’aria, impiego di dispositivi antistatici o altro.

15.3 Messa a terra di autocisterne Come detto più sopra, occorre mettere a terra e collegare coi serbatoi interessati le parti metalliche dei mezzi di trasporto di fluidi infiammabili durante le operazioni di travaso. Il collegamento a terra dell’autocisterna deve fare capo alla maglia di terra cui sono collegati i serbatoi in modo da realizzare il collegamento metallico diretto. Quanto al modo di effettuare i collegamenti a terra di mezzi di trasporto di fluidi infiammabili e che già possono essersi caricati elettrostaticamente (autocisterne isolate da terra dai pneumatici), questo collegamento a terra va eseguito in atmosfera sicuramente non soggetta a pericolo di esplosione o incendio, oppure in appositi apparecchi che stabiliscano il contatto elettrico fra il conduttore collegato alla autocisterna e il conduttore collegato al sistema di messa a terra, in un contenitore a prova di esplosione.

Figura 36: Serbatoio domestico; 1)Serbatoio GPL; 2)Valvola di sicurezza; 3)Messa a terra; 4)Riduttore di pressione; 5)Tubazione aerea ad alta pressione; 6)Rubinetto intercettazione; intercettazione; 7)Giunti dielettrici; 8)Tubazione interrata; 9)Colonna montante a bassa pressione; 10)Riduttore 2° stadio; 11)Contatore volumetrico, 12)Impianto interno; 13)Radiatore; 14)Caldaia; 15)Filtro gas.

15.4 Provvedimenti particolari nei luoghi con pericolo di esplosione o incendio Nei luoghi con pericolo di esplosione o di incendio, per la presenza di sostanze pericolose, sono presenti provvedimenti sull’impianto elettrico, perché non costituisca una causa d’innesco di esplosione o incendio, secondo Norma CEI 64-2. Anche l’impianto di terra può costituire una causa d’innesco, occorre pertanto adottare accorgiaccorg imenti e seguire limitazioni rispetto ad un ambiente normale. 15.4.1 Conduttore di neutro

Il conduttore di neutro non può essere utilizzato come conduttore di protezione, negli ambienti con pericolo di esplosione o di incendio non sono ammessi i sistemi TN-C. Questa limitazione è dovuta al fatto che, nel funzionamento normale, il conduttore di neutro è percorso dalla corrente di squilibrio tra le fasi. Se il conduttore di neutro non è isolato da terra,

Prescrizioni particolari

parte di tale corrente va ad interessare le masse e le masse estranee, con eventuale formazioni di archi, scintille o sovratemperature pericolose. 15.4.2 Limitazioni termiche

Dove è maggiormente probabile la presenza di atmosfera esplosiva o dove sono presenti sostanze esplosive, l’impianto elettrico non deve essere causa d’innesco non solo nel funzionamento no rmale, ma anche in caso di guasto. La corrente di guasto a terra può produrre un surriscaldamento dei conduttori di protezione, tale da innescare le sostanze pericolose. Per evitare ciò, occorre verificare che le massime temperature ai fini del dimensionamento dei conduttori di protezione, di terra, e dei dispersori se interrati a profondità inferiore a 60 cm, non superino la temperatura di accensione delle sostanze pericolose. In caso contrario occorre ridimensionare l’impianto di terra. 15.4.3 Pozzetti di terra

Eventuali pozzetti di terra possono costituire un pericolo per l’accumulo di gas o vapori pesanti. I pozzetti contengono la connessione tra conduttore di terra e dispersore, l’apertura di tale co nnessione in presenza di correnti di dispersione potrebbe provocare l’innesco. La Norma CEI 64-2 richiede pertanto che i pozzetti in questione vengano riempiti di sabbia. 15.4.4 Zona AD di divisione zero dei luoghi di classe 1

Nelle zone AD di divisione zero dei luoghi di classe 1 la presenza di atmosfera esplosiva è pressoché costante nel tempo, occorre pertanto adottare misure di protezione molto dure. Per quanto riguarda l’impianto di terra in tali zone, che sono peraltro di estensione molto ridotta, è vietato installare conduttori di terra, collettori principali di protezione e dispersori. In queste zone è ammesso unicamente il conduttore di protezione. 15.4.5 Equipotenzialità

Se in un ambiente ordinario l’equipotenzialità è sinonimo di sicurezza contro i contatti indiretti, nei luoghi con pericolo di esplosione e incendio è anche sinonimo di sicurezza contro la formazione di archi e scintille. Occorre pertanto curare l’equipotenzialità tra masse e masse estranee.

15.5 Messa a terra di impianti fotovoltaici e solare termico La norma CEI 82-4 prevede, indipendentemente dalla classe di isolamento dei componenti, la messa a terra delle masse metalliche (cornici dei moduli fotovoltaici, struttura di supporto, ecc.), la norma CEI 64-8 non consente la messa a terra delle parti metalliche dei componenti elettrici di Classe II. Se quindi tutti i componenti sono dotati di doppio isolamento o rinforzato è vietata la messa a terra delle masse, ed è quello che normalmente si deve fare. I moduli quindi non richiedono collegamento verso terra. Le strutture metalliche a supporto dei pannelli invece sono da collegare a terra, come tutti i supporti, con capicorda e cavo fino al pozzetto. Non è consigliabile realizzare un impianto di terra separato, in quanto potrebbe trovarsi a potenziale diverso rispetto a quello dell’impianto elettrico introducendo differenze di potenziale pericolose. Se si vuole o si può solo costituire un impianto separato bisogna collegare quest’ultimo all’impianto esistente; ciò è la cosa migliore per l’equipotenzializzazione ma anche per il rischio di guas ti meccanici. Realizzando un anello si ha la sicurezza che interrompendo uno dei due impianti si possa comunque usufruire dell’altro.

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Capitolo 15

L’impianto fotovoltaico generalmente non aumenta la probabilità di fulminazione dell’edificio sul quale è installato. Se l’edificio è dotato di impianto LPS esterno è buona norma installare il sist ema fotovoltaico in un’area protetta, oppure integrare l’impianto LPS esistente in modo che assicuri anche la protezione del sistema fotovoltaico. Quando si realizza un impianto fotovoltaico viene eseguita la scelta del livello di protezione dalle scariche atmosferiche in base alla norma CEI 81-1. Se l’edificio risulta autoprotetto non è necessario installare un LPS esterno. Nel caso di un impia nto non autoprotetto è necessario installare un LPS esterno, un impianto separato potrebbe essere quindi quello LPS dimensionato per assicurare che sia in grado di portare una corrente di fulmine. Per quanto riguarda la messa a terra delle cornici dei pannelli fotovoltaici, nel caso i moduli non siano certificati in classe di isolamento II le cornici devono essere messe a terra. Se i moduli sono classificati in classe II non è comunque garantito l’isolamento dal contatto con il retro del modulo risulterebbe necessario porre delle barriere per evitare l’accesso ai moduli. L’esperienza internazionale consiglia di porre a terra sia la struttura che la cornice dei moduli.

Figura 37: Telai di s upporto pannelli.

Figura 38: Installazione pannelli in accordo con impianto LPS.


15.6 Impianti di terra per piscine e fontane La nuova norma 64-8, sezione 702, tratta dei provvedimenti aggiuntivi da adottare negli impianti elettrici delle piscine e delle fontane. In relazione alla pericolosità e ai provvedimenti da adottare per la sicurezza delle piscine, incassate e non incassate, si possono individuare tre zone: Zona 0: corrisponde al volume interno alla vasca che contiene l’acqua;  Zona 1: costituisce in volume delimitato dalla superficie situata a 2 metri attorno al bordo  della vasca, che si eleva dal pavimento o dalla superficie dove possono sostare le persone, e dal piano orizzontale situato a 2,5 metri al di sopra del pavimento o di questa superficie. Se la piscina è dotata di piattaforma per tuffi, trampolini, blocchi di partenza, scivoli, ecc. la zona 1 si dilata in orizzontale per 1,5 metri attorno e per 2,5 metri al di sopra di queste strutture; Zona 2: è il volume circostante alla zona 1 che si sviluppa in verticale, parallelamente e ad  una distanza in orizzontale dalla zona 1 di 1,5 metri, fino ad un’altezza di 2,5 metri dal piano del pavimento o dalla superficie sulla quale possono sostare le persone.

Figura 39: Suddivisione in zone, in funzione della pericolosità, attorno alla vasca ed ai pediluvi in una piscina incassata.

La presenza di ostacoli fissi di altezza non inferiore a 2,5 metri modifica le zone secondo la regola del filo teso. Le zone 1 vengono modificate col filo teso lungo 2 metri e il limite delle zone 2 col filo teso lungo 3,5 metri. La classificazione in zone della piscina influenza la scelta dei sistemi di protezione e dei componenti che si possono installare. In generale non sono permesse le misure di protezione mediante ostacoli e distanziamento, per mezzo di locali non conduttori e collegamenti equipotenziali non connessi a terra. Adottando circuiti di tipo SELV (Safety Extra Low Voltage), indipendentemente dal valore nominale della tensione, le parti attive devono essere protette contro i contatti diretti tramite barriere o involucri che presentino almeno il grado di protezione IPXXB oppure tramite un isolamento continuo in grado di sopportare una tensione di prova di 500 Volt per un m inuto. Al di fuori di queste zone l’impianto elettrico può essere realizzato seguendo le regole generali.

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Capitolo 15

Figura 40: Estensione delle zone nelle piscine non incassate.

I collegamenti equipotenziali principali (EQP) devono essere sempre realizzati. Oltre a questi, localmente, devono essere realizzati i collegamenti equipotenziali supplementari (EQS) collegando ad un nodo equipotenziale tutte le masse estranee delle zone 0, 1, 2 con i conduttori di protezione di tutte le masse collocate in queste zone. Il nodo deve essere accessibile e i collegamenti facilmente individuabili e scollegabili per eventuali misure o manutenzioni. I collegamenti alle tubazioni metalliche è sufficiente che siano effettuati all’ingresso dei locali e la connessione fra i tubi e il conduttore equipotenziale non è necessario che sia accessibile. Un pavimento normalmente bagnato che presenta una resistenza verso terra inferi ore a 50 kΩ è da ritenere conduttore e come tale deve essere considerato una massa estranea. In questo caso deve essere prevista una griglia metallica (o un pavimento metallico) annegata nel pavimento o nel terreno della piscina e collegata in equipotenzialità al nodo equipotenziale.

Figura 41: Collegamento equipotenziale supplementare (EQS). Legenda: 1) conduttura con guaina o rivestimento metallico; 2) tubazioni metalliche; 3) parapetti metallici; 4) ferri d’armatura; 5) griglia metallica elettrosaldat a; 6) scaletta di accesso alla vasca; 7) trampolino metallico.


Figura 42: Caso di utilizzo di griglia metallica o pavimento metallico.

15.7 Impianto di terra di cantieri

Figura 43: Anello di terra attorno al cantiere.

L’impianto di terra è costituito da una corda di rame o di acciaio interrata a non meno di 0,5 metri di profondità attorno al cantiere e integrato con dei picchetti. Gli utilizzatori fissi sono collegati direttamente all’impianto di terra mentre gli utilizzatori mobili alimentati dai qua dri di cantiere tramite presa a spina fanno capo direttamente al collegamento di terra dei quadri stessi.

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Capitolo 15

15.7.1 Gruppi elettrogeni

La protezione dai contatti indiretti quando si utilizzano gruppi elettrogeni nei cantieri può essere ottenuta realizzando, con un collegamento a terra del centro stella del generatore, un sistema di tipo TN e coordinando opportunamente l’impedenza dell’anello di guasto con adeguati dispositivi di protezione.

Figura 44: Messa a terra gruppi elettrogeni.

15.7.2 Ponteggi

Il collegamento a terra dei ponteggi deve essere eseguito solo se si tratta di strutture di grandi dimensioni, se possono essere considerati come masse o come masse estranee. Un ponteggio viene definito di grandi dimensioni quando il rischio relativo al fulmine supera quello ritenuto tollerabile dalla norma. Per stabilire se il ponteggio costituisce una massa si deve verificare su di esso la presenza di apparecchiature elettriche con classe di isolamento inferiore alla seconda e non alimentate da sistemi tipo SELV o PELV. Quando la resistenza verso terra del ponteggio è inferiore a 200 Ω il ponteggio costituisce una massa estranea, che va collegata ai fini dell’equipotenzialità allo stesso impianto di terra esiste nte, al quale sono collegate le masse.

15.8 Circuiti di telecomunicazione e periferiche remote I circuiti di telecomunicazione e trasmissione dati appartengono alla categoria zero e pongono in comunicazione l’area dell’impianto di terra di sistemi di II e III categoria direttamente con zone a potenziale nullo (zone remote). Si devono evitare, in caso di guasto a terra sul sistema di II e III categoria, tensioni pericolose sulle carcasse di queste apparecchiature per la sicurezza degli operatori, e sulle parti a massa per evitare danni alle apparecchiature stesse. La tensione di isolamento di apparecchiature in categoria zero peraltro è molto modesta (circa 500 V) e non può costituire una protezione adeguata. Una misura di protezione può consistere nell’interporre sul circuito di categoria zero un trasfo rmatore di isolamento o un trasduttore di segnale (accoppiamento ottico) che interrompa il collegamento metallico tra impianto di terra e la periferica a potenziale nullo. Ovviamente tale dispositivo deve avere una tensione di tenuta non inferiore alla tensione totale de ll’impianto di terra.


I problemi principali che si incontrano nella messa a terra di apparecchi elettronici sono dovuti alle elevate correnti di dispersione e ai disturbi introdotti dall’impianto di terra. 15.8.1 Elevate correnti di dispersione

Gli apparecchi per l’elaborazione dati hanno filtri di ingresso costituiti da condensatori verso terra che in condizioni normali, o anomale, possono presentare elevate correnti di dispersione verso terra. In questa situazione la semplice interruzione del conduttore di protezione determina un pericolo per l’utente, che viene attraversato dall’elevata corrente di dispersione (superiore a 3,5 mA). Se la corrente di dispersione supera i 10 mA occorre aumentare l’affidabilità del collegamento di terra come di seguito indicato: Se il conduttore di protezione non è costituito da un’anima del cavo multipolare di al i mentazione dell’apparecchiatura, esso deve avere sezione non inferiore a 10 mm 2 oppure deve essere costituito da due conduttori in parallelo aventi ciascuno sezione non inferiore a 4 mm2 e terminali indipendenti; Se il conduttore di protezione è costituito da un’anima del cavo multipolare di aliment a zione, la somma delle sezione di tutti i conduttori che costituiscono il cavo multipolare non deve essere inferiori a 10 mm 2; Se il conduttore di protezione è posato all’interno e connesso in parallelo ad un condotto  metallico rigido o flessibile che presenta continuità elettrica conforme alle norme CEI si deve adottare un conduttore con sezione non inferiore a 2,5 mm 2. In alternativa l’apparecchio con elevate correnti di dispersione deve essere alimentato tramite un trasformatore. 15.8.2 Disturbi di terra

L’impianto di terra può introdurre disturbi nocivi al buon funzionamento dell’apparato elettron ico, ma questo non giustifica la realizzazione di un impianto di terra separato dalla rete generale di terra dello stabilimento. Impianti di terra separati sono infatti contrari al principio dell’equipotenzialità, cioè contrari alla sicurezza. Come regola generale, dunque, gli apparecchi elettronici devono essere collegati allo stesso impianto di terra delle masse. Per diminuire i disturbi si possono mettere in atto i seguenti provvedimenti: Collegare le masse degli apparecchi elettronici direttamente al collettore o nodo di terra,  con un conduttore separato da quello delle altre masse; Quanto sopra vale anche per il collegamento a terra del comune dell’elettronica, se sep a rato dalla massa dell’apparecchio; Utilizzare conduttori schermati per i collegamenti di terra;  Evitare collegamenti a terra (intenzionali o di fatto) diversi da quelli già indicati. 

15.9 Uso di strutture metalliche come conduttore di terra o di protezione In teoria, un struttura metallica può essere utilizzata come conduttore di terra o di protezione, al pari la carcassa di un trasformatore o di un quadro, funge da conduttore di protezione tra il morsetto di terra e una qualsiasi parte del trasformatore o del quadro. Occorre tuttavia che la struttura metallica soddisfi alcuni requisiti: Sia protetta contro il danneggiamento metallico, chimico, elettrochimico;  Abbia conduttanza equivalente a quella del conduttore di protezione che deve sostituire; 

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

Non possa essere rimossa, senza che siano presi provvedimenti sostitutivi.

Mentre per le apparecchiature sono facilmente fattibili delle prove di verifica al soddisfacimento dei requisiti, è bene per un impianto astenersi dall’utilizzare strutture metalliche come conduttori di protezione, salvo casi particolari nei quali la struttura metallica li soddisfa chiaramente ed in modo definitivo. Un caso particolare è quello di canalette, passerelle metalliche, purché il costruttore fornisca opportuna certificazione sulla loro idoneità a svolgere tale funzione.

Capitolo 16 Misure sul posto Ai fini della sicurezza si considerano le seguenti misure e prove: 1) Misura della resistività del terreno, ai fini della progettazione di un impianto di terra disperdente; 2) Misura della resistenza totale di terra, per la limitazione della tensione totale di terra; 3) Misura delle tensioni di contatto e di passo, in alta e media tensione; 4) Misura dell’impedenza dell’anello di guasto, nei sistemi TN; 5) Prova di continuità, in tutti gli impianti a qualunque tensione.

16.1 Misure della resistività del terreno La misura della resistività del terreno può essere eseguita con il metodo dei quattro picchetti (es. Metodo di Wenner). Con questo metodo può essere determinata la resistività del terreno a diverse profondità dello stesso. La resistività è data dalla seguente indicazione:

dove: r : resistenza misurata dall’ohmetro; a : distanza tra i picchetti. Questa misura è considerata sufficientemente approssimata nella maggioranza dei casi, tuttavia quando si debba progettare un dispersore di grande estensione, quali sono in genere quelli per officine elettriche o impianti utilizzatori connessi a sistemi ad alta tensione, tali misure possono essere approfondite per tener conto della non omogeneità del suolo. Scelta l’area in cui verrà i nstallato il dispersore conviene eseguire numerosi sondaggi elettrici sia orizzontali che verticali, in modo da interessare il terreno fino a profondità almeno pari alla massima diagonale del dispersore principale. Le mappe di resistività apparente, che riportano i risultati di tali misure, vanno poi accuratamente interpretate al fine di individuare la resistività equivalente (da impiegare per la previsione della resistenza dell’intero dispersore), la resistività dello strato superficiale (da cui d ipende la distribuzione delle tensioni pericolose), la dislocazione delle eventuali anomalie superficiali, da cui si possono dedurre indicazioni sulla più efficace ed economica collocazione dei dispersori. Il metodo di Wenner consiste nell’ interrare parzialmente quattro picchetti allineati ed equidista nti e nel valutare la tensione che si stabilisce tra due di essi quando gli altri due vengono alimentati.

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Capitolo 16

Figura 45: Schema del circuito usato per la misura di resistenza del terreno.

La resistività media del terreno di uno spessore pari ad a (in metri) è data dalla formula:

dove La

è il rapporto tra

ed .

potrà essere misurata con un normale terrometro, collegando i due morsetti voltmetrici ai

picchetti centrali e quelli amperometrici agli esterni. La profondità di infissione dei picchetti dovrà essere minore di . In un terreno omogeneo aumentando a la non varia; in un terreno non omogeneo, invece, al variare della distanza (per esempio aumentandola) tra i picchetti (che rimangono equidistanti) si ottengono valori di diversi poiché si interessano alla conduzione strati più profondi e più estesi.

16.2 Misura della resistenza totale di terra Il metodo di misura della

più comunemente adottato è quello voltamperometrico. Esso viene

realizzato secondo due criteri che utilizzano strumentazione diversa. 16.2.1 Metodo della caduta di tensione mediante utilizzo di un misuratore di terra

Questo criterio di misura è adottato per il rilievo della resistenza totale di terra di elettrodi di modeste dimensioni (ad esempio singolo picchetto o combinazione di picchetti, dispersori per tralicci, dispersori per piccoli impianti in MT o BT). La frequenza di alimentazione del circuito di misura non deve essere superiore a 150 Hz. La configurazione della misura prevede il posizionamento della sonda di tensione dell’elettrodo ausiliario di corrente e dell’elettrodo in prova lungo una ideale linea retta (figura 46). La distanza della sonda di tensione dall’elettrodo in prova deve essere pari almeno a 2,5 volte la dimensione maggiore di quest’ultimo, con un limite inferiore pari a 20 m; la distanza dell’elettrodo ausiliario deve essere almeno 4 volte la sua dimensione maggiore, ma comunque non meno di 40 m.

Misure sul posto

16.2.2 Criterio dell’iniezione di corrente ( classico voltamperometrico)

Questo metodo è particolarmente usato per la misura della resistenza totale di terra di dispersori aventi dimensione estesa. Esso consiste nella applicazione di una tensione alternata, alla frequenza di rete, tra il dispersore in esame ed un altro elettrodo ausiliario di corrente allo scopo di fare circolare una corrente di prova nel dispersore in esame. Tale corrente produce un incremento del potenziale del dispersore in prova che può essere rilevato. L’esecuzione della misura deve essere fatta nelle normali condizioni operative dell’impianto, cioè lasciando collegate eventualmente le funi di guardia delle linee o gli schermi dei cavi normalmente operativi. Il valore della resistenza totale di terra è dato dalla relazione:

dove: : tensione misurata tra il dispersore in prova e la sonda di tensione posta in area a potenziale nullo (V); : corrente iniettata nella rete di terra (A); r : fattore di riduzione della linea (per le linee prive di funi di guardia o cavi senza schermo/armatura a terra, r = 1). Da un punto di vista pratico il principale problema che si presenta in queste misure è sostanzialmente quello legato alla distanza di posa dell’elettrodo ausiliario di corrente e della sonda di tensione. Con riferimento alla figura seguente le distanze ed dell’elettrodo di corrente e della sonda di tensione, dipendono dalle dimensioni del dispersore soggetto alla verifica. La norma suggerisce, per l’elettrodo ausiliario di corrente, una distanza pari ad almeno 5 volte la dimensione massima del dispersore in esame, il che vuol dire che per impianti di dimensioni ragguardevoli (grandi stabilimenti industriali) tale distanza può arrivare a qualche chilometro. Pertanto per questo collegamento è praticamente indispensabile ricorrere alle linee in alta o media tensione fuori servizio. In questo caso l’elettrodo ausiliario di corrente è costituito dal dispe rsore della stazione di partenza di tale linea.

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Capitolo 16

Figura 46: Circuito utilizzato per le misure della resistenza totale di terra e delle tensioni di contatto e di passo.

Nei casi in cui non sia possibile l’utilizzo di linee esterne, si deve provvedere alla posa temporanea di un cavo unipolare di sezione adeguata, steso per la lunghezza necessaria e facente capo ad un dispersore realizzato con più picchetti in parallelo per consentire la circolazione della corrente iniettata per la prova. La sonda ausiliaria di tensione pone problemi analoghi a quelli della sonda di corrente, anche se di minore entità, almeno per la disposizione della stessa, costituita da un solo picchetto, in un punto intermedio tra sonda di corrente ed elettrodo in prova. La misura della tensione deve essere effettuata in diversi punti, a distanza in progressivo aumento a partire dalla periferia dell’elettrodo in prova verso la sonda di corrente.

Misure sul posto

Con in punti così rilevati, si costruisce la curva dell’andamento della tensione, allo scopo di verif icare che i valori misurati si trovino su un tratto praticamente orizzontale, per il quale il potenziale del terreno possa essere considerato nullo rispetto a quello del dispersore in prova. La corrente di prova da iniettare nel circuito, deve permettere di rilevare valori della tensione totale di terra di gran lunga superiori a quelli derivanti da interferenze o disturbi, normalmente rilevabili nel terreno. Un valore di almeno 50 A in rete con neutro a terra assicura le condizioni di un elevato rapporto segnale/disturbo. Ciascun rilievo deve essere inoltre depurato dalle tensioni di disturbo, di tipo isofrequenziale con il segnale impresso, sempre presenti nel terreno. La Norma CEI 11.8, all’art. 4.1.06, specifica la relazione da utilizzare per determinare il reale valore della tensione prodotta dalla corrente impressa, attraverso il criterio dell’inversione di polarità. Per ciascun punto di misura, è necessario il rilevamento di tre valori di tensione: : valore della tensione rilevata in assenza di corrente; : valore della tensione rilevata durante l’iniezione di corrente; : valore della tensione rilevata con corrente invertita di 180°. L’applicazione della relazione:

fornirà il valore reale della tensione prodotta dalla corrente impressa.

16.3 Misura delle tensioni di contatto e di passo La misura delle tensioni di contatto e di passo viene in genere condotta in scala ridotta; si invia cioè nell’impianto di terra una corrente di prova che è una frazione della corrente che l’impianto di terra deve disperdere. Le tensioni di contatto e di passo ricercate si ottengono moltiplicando quelle misurate per il rapporto di riduzione tra le correnti. L’esperienza ha infatti dimostrato che il fenomeno è lineare entro ampi limiti (la norma CEI 11-8 richiede una corrente di prova non inferiore all’1 % della corrente che l’impianto di terra può essere chiamato a disperdere, con un m inimo di 5 A per le cabine di media tensione isolata da terra; richiede invece 50 A per le stazioni in alta tensione con il neutro a terra). Di fatto è bene che la corrente di prova sia la più elevata possibile per rendere le tensioni di disturbo trascurabili rispetto alle tensioni misurate. Le tensioni di disturbo sono le tensioni di contatto e di passo che si misurano in assenza della corrente di prova: sommandosi vettorialmente alle tensioni di contatto e di passo reali possono sfalsare completamente la misura. Il dispersore ausiliario utilizzato per inviare la corrente di prova deve essere sufficientemente lontano dall’ impianto di terra in esame. Se per ragioni pratiche non è possibile allontanare il dispersore ausiliario, si possono effettuare le misure nella zona dell’impianto prospiciente il dispersore ausiliario,in un settore angolare di circa 120˚ con centro nell’impianto di terra e in asse con il dispersore ausili ario. Tali misure forniscono valori cautelativi; si possono ripetere su altri due settori contigui, spostando il dispersore ausiliario, per coprire interamente l’impianto di terra in esame.

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100

Capitolo 16

Figura 47: Esempio circuito di pr ova e disposizione degli elettrodi per la misura delle tensioni di contatto e di passo.

16.4 Misura dell’impedenza dell’anello di guasto Nel caso del sistema TN, si tratta della misura dell’impedenza dell’anello di guasto mentre per l’impianto TT è sufficiente la misura della resistenza di terra. La norma suggerisce due metodi di misura dell’impedenza del circuito di guasto, il secondo dei quali (misura dell’impedenza dell’anello di guasto mediante la caduta di tensione) è di maggiore interesse, in quanto ha dato origine alla costruzione di apparecchi in grado di misurare direttamente il valore dell’impedenza. Ma mentre, secondo il suddetto metodo, solo in presenza di circuito prevalentemente resistivo si hanno valori accettabili, in realtà sono stati costruiti apparecchi in grado di misurare l’impedenza del circuito tenendo conto sia della componente resistiva che della componente reattiva. Questi apparecchi eseguono la misura mediante la simulazione di un guasto a massa ottenuto tramite una resistenza imitatrice. Durante la misura si stabilisce, fra la massa e le parti circostanti che possono essere toccate contemporaneamente dalla massa considerata, una tensione di contatto di valore , in cui è l’impedenza del collegamento a terra e nell’anello di guasto simulato. Evidentemente

è la corrente che circola nell’apparecchio e avrà un valore assai basso in quanto la corrente

è fortemente limitata dalla resistenza inserita nell’apparecchio o, come si può dire in altri termini, gran parte della tensione fase-terra si porta ai capi della resistenza, minimizzando quindi la tensione nel resto dell’anello di guasto, e di conseguenza la tensione di contatto che ne rappresenta una parte.

Misure sul posto

Figura 48: Circuito utilizzato per la determinazione della tensione di contatto U massa.

In quale rapporto sta questa

CG

in caso di reale guasto franco a

con la vera tensione di contatto

che si manifesta in caso di

reale guasto franco a massa? Come già detto, l’apparecchio misura l’impedenza dell’anello di guasto, quindi consente il calcolo della corrente di guasto mediante la semplice operazione. Abbiamo quindi la corrente misurata durante il funzionamento dell’apparecchio e la corrente e quella vera stessa l’impedenza

staranno fra di loro come le correnti e

calcolata. La tensione di contatto , essendo ovviamente sempre la

della massa a terra. Basta quindi moltiplicare la

misurata per il rapporto

per avere finalmente la tensione di contatto:

Occorre quindi semplicemente eseguire contemporaneamente alla misura della sure della corrente e della tensione

per ottenere quindi la tensione di contatto

, anche le mi, che negli

impianti con messa a terra ben fatta dovrebbe essere sempre inferiore a 50 V, garantendo quindi la sicurezza.

16.5 Prova di continuità Con questa prova si intende verificare se una massa, o massa estranea è collegata o meno all’impianto di terra. Non si tratta di una misura vera e propria ma di un contro llo approssimativo, per verificare se c’è continuità elettrica tra la parte considerata e l’impianto di terra. Secondo la Norma CEI 64-8 la prova va eseguita con una corrente non inferiore a 0,2 A impiegando una sorgente di tensione alternata o continua compresa tra 4 e 24 V.

101

Appendice 1 Terra Globale

La norma CEI 11-1 introduce, con riferimento alla rete di trasmissione e di distribuzione in AT ed MT del Distributore pubblico, il concetto di " impianto di terra globale" che date le sue caratteristiche non presenta al suo interno tensioni pericolose; in particolare tale tipologia di impianto viene così definito: "Impianto di terra realizzato con l’interconnessione di più impianti di terra che assicura, data la v icinanza degli impianti stessi, l’assenza di tensioni di contatto pericolose. Tale impianto permette la ripartizione della corrente di terra in modo da ridurre l’aumento di potenziale di terra negli i m pianti di terra singoli. Si può dire che tale impianto forma una superficie quasi equipotenziale. Questa definizione è limitata alle reti di trasmissione e di distribuzione del distributore pubblico, ad esempio nel caso di aree urbane concentrate ed agli impianti utilizzatori alimentati in AT o in MT collegati all’impianto di terra globale ed in esso inclusi ".

Dalla succitata definizione di impianto di terra globale si deduce che lo stesso si può individuare soltanto all’interno di aree urbane ad alta concentrazione abitativa o produttiva, dove esistono quindi un insieme di impianti di terra di impianti primari (AT/AT e/o AT/MT) e secondari (cabine MT/MT e/o MT/BT) interconnessi tra loro, attraverso gli schemi di cavi, le funi di guardia ed altri collegamenti metallici, dove sia stato verificato che non esistono tensioni di contatto pericolose. La norma CEI 11-1 non definisce una superficie di riferimento, né il grado di concentrazione degli impianti di terra; per la definizione di un impianto di terra globale si può però ritenere che già con una superficie di 5 km2 ed una concentrazione non inferiore a 25, 30 cabine per km 2, ci siano tutte le premesse per ritenere che l’intera area sia quasi equipotenziale, e che le tensioni di passo e di contatto siano inferiori a quelle ammissibili. La definizione dell’impianto di terra globale spetta alla società Distrib utrice; va altresì precisato che all’impianto in questione possono essere collegati anche gli impianti utilizzatori in alta tensione ed in media tensione. La realizzazione di un impianto di terra comune comporta vantaggi sia per il distributore pubblico che per gli utilizzatori; vantaggi che si possono ottenere in fase di costruzione dell’impianto ste sso, ma anche e soprattutto durante la sua gestione. Nella costruzione di un impianto di terra comune è molto probabile che le dimensioni dei dispersori siano più contenute e quindi si possa economizzare sui materiali, mentre in fase di gestione, poiché si semplificano notevolmente le modalità di svolgimento delle verifiche periodiche, i costi di tali operazioni diminuiscono notevolmente.

104

Appendice 1

A1.1 Requisiti degli impianti di terra inseriti in un impianto di terra globale La norma CEI riporta al punto 9.2.1, che gli impianti di terra devono essere progettati in modo da soddisfare le seguenti prescrizioni: Avere sufficiente resistenza meccanica e resistenza alla corrosione;  Essere in grado di sopportare, da un punto di vista termico, le più elevate correnti di gua sto prevedibili (che generalmente sono determinate mediante calcolo); Evitare danni a componenti elettrici ed a beni;  Garantire la sicurezza delle persone contro le tensioni che si manifestano sugli impianti di  terra per effetto delle correnti di guasto a terra. In particolare, relativamente all’ultimo punto, deve essere sempre verificato che i valori delle te nsioni di contatto siano inferiori a quelle ammissibili e che non siano trasferiti potenziali pericolosi. L’impianto di terra facente parte di un impianto di terra globale deve garantire la resistenza me ccanica ed alla corrosione e soddisfare i requisiti termici. In merito alle verifiche prima della messa in servizio ed alle verifiche periodiche, la norma CEI dice che: "All’interno delle aree degli impianti di terra globale, non è necessario verificare la resistenza di terra o la tensione totale di terra, in quanto è considerata sufficiente la documentazione di progetto dell’impianto di terra". Pertanto per gli impianti di terra collegati ad un impianto di Terra Globale è sufficiente eseguire la verifica dell’efficienza dei conduttori di terra. Tale verifica consiste nel controllo a vista dello stato di conservazione dei conduttori (corde, giunti, ecc.) e nella misura della loro continuità.

A1.2 Certificazione di un impianto di terra globale Una volta individuato l’impianto di Terra Globale è necessario redigere una documentazione nella quale viene certificato l’impianto stesso. Tale rapporto deve contenere in generale: area dell’impianto di terra globale;  elenco cabine con relativi parametri identificativi ed elettrici;  caratteristiche elettriche dell’impianto ( , , ecc.);  

criteri per l’individuazione dell’impianto di terra.

La documentazione dovrà essere mantenuta presso il Distributore, allo scopo di poterla esibire all’Autorità di controllo (per esempio A.S.L.) ed ai Clienti inseriti in un impianto di terra globale. La presenza dell’impianto di Terra Globale sarà comunicata agli utenti per esempio a seguito di una loro richiesta di parametri elettrici.

Appendice 2 Dimensionamento degli impianti di terra con metodi numerici A2.1 Generalità Per lo studio degli impianti di terra era prassi classica ricorrere a metodi sperimentali come le misure in campo o le simulazioni nella vasca elettrolitica, affidando l’ultima valutazione all’esperienza del progettista. Non di rado si procedeva alla realizzazione dell’impianto soprattu tto in sistemi in alta tensione, per tentativi successivi, correggendo le eventuali lacune mostrate dalle misure con soluzioni tipiche o sperimentali. Attualmente la disponibilità di potente hardware di calcolo a costi accessibili ha permesso lo sviluppo di software, anche raffinati, per la simulazione degli impianti di terra. Si deve tener conto di alcune peculiarità non trascurabili, a partire dal fatto che si potrà ottenere un risultato tanto più affidabile quanto più dettagliati e realistici sono i dati passati in ingresso ai software (a riguardo il dato più sensibile è ovviamente la composizione del terreno). Tenendo comunque conto che la progettazione di un impianto di terra, soprattutto in alta e media tensione, necessita di una figura professionale raffinata d all’esperienza, l’uso di software di calcolo permette di raggiungere o verificare gli obiettivi di sicurezza in modo più rapido e meno dispendioso (le simulazioni delle varie configurazioni possono essere analizzate senza realizzare un modello fisico).

A2.2 Software commerciali Alcuni esempi di tali software possono essere: GSA – acronimo di Grounding System Analysis sviluppato dall’ing. Roberto Andolfato per  la Società SINT Ingengeria Srl nell’anno 1993. Le prime versioni del software erano sviluppate in linguaggio Fortran Salford 77 in ambiente DOS per i processori della serie Intel x86 a 16 bit. Dal 2008 è stata messa in atto la modernizzazione usando nuovi linguaggi di programmazione (con ultima scelta Visual Studio di Microsoft ) e una veste grafica basata su standard GUI (finestre in Windows XP) offendo anche l’importante possibilità di importare layout in grafica vettoriale dxf . Non da dimenticare infine la competitività del mercato internazionale data dalla possibilità di effettuare lo studio sia con le normative europee che con quelle americane. CDEGS di SES attualmente in uso da Terna S.p.A. È un pacchetto software per l’analisi de gli impianti di messa a terra, dei campi e delle interferenze elettromagnetici. GEO commercializzato in italiano secondo le Norme e le Guide CEI. 

A2.3 Approccio I campi di corrente prodotti dagli impianti di terra, come tutti i campi elettromagnetici, sono governati dalle note equazioni di Maxwell:

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Appendice 2

 

Conoscendo inoltre le relazioni costitutive:   

Si ottengono le forme:  

Inoltre è facile dimostrare che, in un campo elettromagnetico, il vettore densità di corrente totale (di conduzione e di dispersione) ed il vettore induzione magnetica sono solenoidali. 

da cui si ottiene:

 

Il fatto che un campo elettromagnetico sia variabile più o meno velocemente va riferito alla sua velocità di propagazione, grandezza dipendente dalle caratteristiche del mezzo in cui gli stessi si evolvono. I campi di corrente originati dai dispersori degli impianti di terra, alle frequenze industriali di 50/60 Hz ed in corrente continua, nel mezzo dissipativo terreno, si propagano anche per migliaia di km in regime lentamente variabile tanto da potersi considerare come una successione di configurazioni di equilibrio studiabili come casi stazionari. Non ha poi generalmente interesse considerare le f.e.m. specifiche impresse, per cui si potrà porre e . Tutto ciò consente delle notevoli semplificazioni alle equazioni di Maxwell, che diventano:  

E attraverso la già vista proprietà 

si può scrivere:

Dimensionamento degli impianti di terra con metodi numerici

Inoltre se il dominio dove è stato definito il campo elettrico è semplicemente connesso, esiste sicuramente una funzione scalare tale per cui è valida: 

Eseguendo alcune sostituzioni si arriva facilmente alla forma: 

E se il mezzo è omogeneo, isotropo e lineare è costante e si può scrivere: 

E quindi: detta equazione di Laplace e può anche essere scritta nella forma



Allora il potenziale nell’intorno di un dispersore immerso in un mezzo lineare, omoge neo, isotropo, indefinito è determinabile, in assenza di sorgenti di f.e.m. specifiche impresse ed in regime quasi stazionario o stazionario, risolvendo l’equazione di Laplace ad esso associata nella funzione potenziale scalare . Le funzioni

che soddisfano l’equazione di Laplace

sono anche dette funzioni armoniche

e godono di alcune proprietà, tra le quali: Una funzione armonica è univocamente definita in una regione finita dello spazio, se ne è  assegnato il valore di tutti i punti nel contorno che ne delimita la geometria; Una funzione armonica è definita a meno di una costante in una regione dello spazio, se è  assegnato il valore della sua derivata normale in tutti i punti del contorno; Il valore di una funzione armonica in ogni punto è la media dei valori che la funzione as sume su una qualsiasi sfera concentrica al punto stesso (teorema della media delle funzioni armoniche). Una funzione armonica non ammette perciò nè massimi nè minimi interni al suo contorno di definizione. Tutti i punti di massimo o minimo sono localizzati sul contorno stesso. La soluzione di qualunque problema relativo al campo di corrente, in un mezzo conduttore omogeneo, lineare, isotropo, privo di sorgenti di f.e.m. in regime stazionario, si riconduce quindi all’integrazione dell’equazione di Laplace, partendo dalle condizioni esistenti sul contorno del campo, compreso il comportamento all’infinito. I principali metodi di integrazione numerica dell’equazione di Laplace sono: 

Metodo agli elementi finiti



Metodo alle differenze finite è un metodo utilizzato per la soluzione di campi governati

dalle equazioni di Laplace e di Poisson, ma non risolve l’equazione quasi armonica gener ale, che si può presentare ad esempio in presenza di mezzi isotropi non omogenei;

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Appendice 2





Metodo Montecarlo è un metodo che sfrutta in modo statistico il teorema della media

delle funzioni armoniche. È particolarmente funzionale solo se si deve studiare un campo laplaciano in pochi punti ben determinati e data la sua elevata precisione è utile per verificare la precisione di altri metodi numerici; Metodi grafici sono sempre validi per avere un andamento orientativo delle linee di campo e linee equipotenziali. Sono metodi grafici il metodo di Maxwell ed il metodo Lehmann;

A2.3.1 Metodo agli elementi finiti

È un metodo molto usato in software per l’analisi dei campi elettromagnetici retti dall’equazione di Laplace o di Poisson in mezzi omogenei, isotropi, lineari ed entro certe limitazioni si presta anche per i programmi di simulazione degli impianti di terra. È chiaro che il problema per essere affrontato al calcolatore deve venire discr etizzato. Affiche il metodo sia pratico, occorre frazionare la superficie del dispersore in elementi sui quali si possa introdurre in modo corretto l’ipotesi di densità costante di corrente superficiale, ed inoltre, dei quali sia nota un’espressione analitica del campo generato in un mezzo supposto omogeneo, isotropo, lineare, indefinito, quando singolarmente gli elementi sono chiamati a disperdere una determinata corrente. Questa ipotesi semplificativa è tanto più plausibile quanto più piccola è la dimensione dell’elemento in relazione alla dimensione dell’intero dispersore. Infine data la necessità del metodo di conoscere l’espressione analitica della sorgente disperdente elementare, indirizza la scelta verso forme geometriche semplici ad elevata simmetria quali ad esempio la sfera, il cilindro, l’anello, il disco, in relazione alle caratteristiche del dispersore reale da simulare. Il calcolo per via numerica di un campo laplaciano ammette in generale due formulazioni, in termini differenziali ed in termini integrali. La formulazione differenziale considera che nel dominio assegnato al campo si applichi l’equazione di Laplace e venga risolta con metodi analitici o numerici in funzione di alcune condizioni al contorno, in generale date come potenziali o campi sulla frontiera del dominio (condizioni di Neumman o di Dirichlet). La formulazione integrale prevede di considerare che il campo di corrente generato da un dispersore di forma qualsiasi immerso in un mezzo lineare, omogeneo, isotropo, indefinito equivalga al campo generato da un sistema di sorgenti di corrente aventi superficie e disperdente la corrente

.

La soluzione del metodo agli elementi finiti consiste nel determinare un distribuzione fittizia di sorgenti disperdenti tali da dar luogo ad un campo il cui potenziale assuma determinati valori almeno in prefissati punti a potenziale vincolato, che nell’ipotesi di dispersore equipotenziale possono essere scelti per praticità sulla superficie del dispersore stesso. La distribuzione superficiale che verifica tale condizione viene considerata una buona approssimazione della distribuzione di corrente superficiale reale. Dopo aver scelto il numero e la tipologia delle sorgenti di simulazione, si costituisce un sistema algebrico lineare, non omogeneo, dove i termini noti sono i potenziali vincolati su punti delle stesse sorgenti di simulazione, le incognite sono le correnti disperse dalle sorgenti ed i coefficienti del sistema lineare sono desunti dall’espressione analitica del campo generato nel mezzo dalle so rgenti elementari.


A2.3.2 Principio delle immagini elettriche

Nella realta degli impianti di terra le condizioni di isotropia e linearità possno essere realmente valide, mentre non lo possono essere considerate le condizioni di omogeneità e di estensione infinita. In particolar modo la condizione di estensione infinita decade a causa delle ridotte distanze tra gli usuali dispersori e la superficie di separazione tra aria e suolo. Per superare il problema della discontinuità dovuta alla superficie di separazione aria-suolo, si fa perciò uso del principio delle immagini elettriche. Per quanto riguarda gli impianti di terra, la superficie di separazione è rappresentata dalla separazione tra suolo e aria, ed essendo l’apllicazione del principio delle immagini allo del campo di corrente si presenta con l’introduzione di un’immagine del dispersore origine, er ogante in ogni punto una corrente uguale alla corrente erogata nell’equivalente punto sul dispers ore origine. Il principio delle immagini può essere utilizzato, con l’ausilio di qualche arteficio, anche per sup erare la limitazione introdotta dalla condizione di omogeneità, difficilmente realizzabile nei casi reali. Si considera pertanto una modellizzazione del suolo a doppio strato costituita da uno strato superficiale con un proprio spessore e resistività, ed un secondo strato inferiore a resistività differente, ma di profondità indefinita. Le superfici di discontinuità ora si trovano tra aria e suolo e tra il primo ed il secondo strato del terreno, pertanto si devono disporre le immagini in modo da soddisfare il primo ed il secondo principio di Kirchhoff per entrambe le superfici di separazione. La soluzione sarà tanto più accurata quanto maggiore sarà il numero delle immagini, a scapito del costo computazionale del problema in termini di tempi di calcolo.

A2.4 Programma di simulazione GSA Viene preso ad esempio il programma GSA già presentato, che consente lo studio degli impianti di terra di protezione, realizzati con gli usuali sistemi disperdenti intenzionali, a scopo impiantistico. Il programma è utilizzabile per sistemi di terra chiamati a disperdere nel terreno correnti continue o alternate a frequenza industriale 50/60 Hz.

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Appendice 2

Figura 49: Layout del programma GSA con la pianta del s istema disperdente.

Il programma consente di determinare: Resistenza totale di terra di un dispersore di forma qualsiasi;  Tensioni di passo superficiali a vuoto e con la presenza del corpo umano;  Tensioni di contatto superficiali a vuoto e con la presenza del corpo umano;  Tensioni trasferite dal dispersore ed eventuali corpi perturbati interrati;  Correnti scambiate da ogni porzione del complesso disperdente.  Tali grandezze possono essere determinate nelle seguenti condizioni operative: Terreno omogeneo;  Terreno non omogeneo a doppio strato;  Presenza di strati sottili di materiali superficiali con resistività elevata;  Presenza di corpi perturbanti interrati disperdenti e non disperdenti, di forma qualsiasi,  non connessi al dispersore principale. Il programma è basato sul metodo di calcolo agli elementi finiti ed opera su un modello matematico delle condizioni fisiche al contorno, pertanto i dati di ingresso sono intesi a specificare le caratteristiche del mezzo disperdente, la geometria degli elettrodi interrati e le correnti disperse. Il modello del mezzo disperdente è determinato da routine create sulla base di reali misure della resistività.


Il software procede con una soluzione al problema attraverso approssimazioni successive, così da raggiungere il risultato ottimale. A2.4.1 Dati richiesti dal programma

Dati Elettrici, il software richiede principalmente la corrente di guasto monofase a terra, i dati per il calcolo della corrente dispersa, il tempo di intervento delle protezioni e le Norme di riferimento per il calcolo dei limiti per le tensioni di contatto e di passo e per il dimensionamento termico dei dispersori. Dati geometrici, l’utente deve definire la geometria del sistema disperdente, i materiali previsti, il numero degli elettrodi e la loro natura (dispersori di linee di trasmissione, dispersori di ritorno, elementi metallici interrati a potenziale flottante, od altro). La definizione della geometria può essere numerica o grafica attraverso l’importazione di un file vettoriale tipo AutoCAD contente il layout del dispersore. Il software consente di analizzare contemporaneamente fino a 10 elettrodi distinti di varia natura. Dati fisici, da ultimo devono essere specificate le caratteristiche del mezzo disperdente (parametro per il quale l’impianto di terra potrebbe risultare sovradimensionato, idoneo oppure insuff iciente). Il software supporta solamente mezzi uniformi oppure a due strati orizzontali, oltre ad un sottile strato superficiale, tipicamente ad elevata resistività. Il modulo di analisi della resistività del suolo, integrato nel pacchetto software, consente di determinare i parametri del modello del mezzo disperdente, a partire da un opportuno set di misure di resistività condotte con il metodo Wenner. È comunque presente una vasta libreria con valori tipici di resistività del terreno e degli strati superficiali più utilizzati, tra cui la presenza di dispersori di fatto annegati nel cemento o di dispersori intenzionali immersi nelle bentontiti. Dati gli intervalli di frequenza, densità di corrente e gradiente di tensione degli impianti di terra, in tutte le categorie, il terreno può essere considerato nei riguardi del campo di corrente un mezzo puramente resistivo, dal comportamento isotropo e lineare, ma ovviamente non omogeneo. A2.4.2 Risultati forniti dal programma

I risultati resi disponibili sono essenzialmente i seguenti: Layout del sistema disperdente, il dispersore può essere visualizzato secondo proiezioni  ortogonali o rappresentazioni isometriche; Corrente dispersa, calcola il fattore di riduzione della corrente di guasto a terra secondo le  Norme CENELEC, oppure il fattore di decremento ed il fattore di riduzione secondo le Norme IEEE e consente di ottenere le corrente dispersa. Si possono considerare fino a 10 linee connesse al punto di guasto; Sezione minima, calcola la sezione trasversale minima dei conduttori del dispersore per  far fronte alle sollecitazioni termiche, tenuto conto delle massime correnti e dei tempi di interruzione. Il metodo di calcolo è conforme alla Norma CENELEC o IEEE considerata. Fornisce una vasta libreria contenente valori tipici delle costanti dei materiali utilizzati per i dispersori; Limiti ammessi per le tensioni di contatto e di passo, i limiti sono calcolati in ottemperanza  alle Norme CENELEC o IEEE, eventualmente considerando il coefficiente di riduzione dovuto ad un sottile strato superficiale, secondo le Norme IEEE; Resistenza di terra, viene calcolata la resistenza e la tensione totale di terra di ciascun e lettrodo del sistema disperdente. Nel caso in cui il sistema disperdente comprenda più elettrodi, calcola anche il valore di mutua resistenza tra elettrodi distinti, ovvero il valore di

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Appendice 2











tensione trasferita (la mutua resistenza tra due elettrodi, di cui uno che non inietta corrente nel terreno, può essere calcolata come il rapporto tra il potenziale dell’elettrodo a potenziale flottante e la corrente dispersa dal primo elettrodo); Densità di corrente dispersa, viene calcolata la distribuzione della densità di corrente dispersa dal sistema disperdente ed è possibile la sua rappresentazione grafica tridimensionale, utile per la verifica dell’effettiva efficacia di specifiche porzioni di dispersore; Potenziale di terra su aree, calcola la distribuzione del potenziale di terra su un’area rettangolare comunque orientata sulla superficie e ne consente la rappresentazione grafica a colori in 2D e 3D. Il programma, per mezzo del principio della sovrapposizione degli effetti, ottiene la distribuzione complessiva del potenziale di terra dal calcolo del potenziale di terra generato da ogni singolo elemento del sistema disperdente; Tensioni di contatto e di passo su direttrici , è possibile calcolare la distribuzione delle tensioni di contatto e di passo su una direttrice comunque orientata sulla superficie e di rappresentarle assieme a tensione totale di terra, potenziale di terra e limiti normativi ammessi, in modo da individuare rapidamente eventuali situazioni di pericolo; Tensioni di contatto e di passo su aree, si calcola la distribuzione delle tensioni di contatto e di passo su un’area rettangolare comunque orientata sulla superficie e di rappresentarle in grafici 2D e 3D, in modo ancora una volta di individuare rapidamente eventuali situazioni di pericolo; Distinta materiali , consente di ottenere in modo automatico la distinta dei materiali utilizzati per il dispersore (conduttore e picchetti).

Tutti i risultati sopra descritti infine possono essere esportati in file grafici, consentendo al progettista di realizzare rapporti di calcolo completi, personalizzati e di facile interpretazione.


Figura 50: Rappresentazione 3D delle aree dove le tensioni di contatto sono entro i limiti e d ove le tensioni di passo sono oltre i limiti (area in giallo)

A2.5 Programma di simulazione CDEGS CDEGS calcola le correnti armoniche ed i campi elettromagnetici generati da una rete arbitraria di conduttori sotto tensione, nelle condizioni di regime, ed in transitorio, analizzando anche manovre e fulminazione. Il programma presenta modelli semplici o con più componenti conduttori, in materiale nudo o rivestito, in aria, in tubazioni o interrati. L’inserimento della geometria del s istema può avvenire in modo facilitato importando layer vettoriali in formato dxf. Come per altri programmi del genere, la software house garantisce la validità dei risultati ottenuti avendo per lungo tempo simulato e confrontato il comportamento del codice con situazioni reali. SES iniziato lo sviluppo del pacchetto software CDEGS nel 1972, con la creazione del modulo per l’ingegneria MALT, con costanti revisioni ed aggiornamenti si è arrivati ad avere oggi disponibili sul mercato otto moduli per l’ingegneria: ResAP (per l’analisi della resistività del terreno) , MALT (analisi della messa a terra in bassa frequenza), MALZ (messa a terra nel dominio della frequenza con risultati ottimali nell’intervallo 0 ÷ 1 MHz), TRALIN (analisi delle costanti di linee e cavi) , SPLITS (analisi delle correnti di guasto ed analisi dei campi eletromagnetici) , HIFREQ (per l’analisi dei campi elettromagnetici), FCDIST (permette un’analisi semplidicata delle correnti di guasto) e FFTSES (analisi automatica della Fast Fourier Trasform). Le potenzialità di CDEGS si riassumono come: Analisi della resistività del terreno e interpretazione della struttura del suolo;  Analisi di un impianto di messa a terra con qualsiasi struttura e composizione del suolo,  senza vincoli sulla frequenza ed in transitorio; Valuzione delle costanti delle linee aeree o in cavo; 

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   

Analisi della distribuzione (sul neutro e sugli schermi) della corrente a carico ed in corto circuito; Analisi di protezione catodica per reti interrate complesse. Analisi di interferenze di tipo conduttivo, capacitivo, induttivo; Analisi nel dominio del tempo e della frequenze dei campi elettromagnetici generati dalle reti.

AutoGrid Pro (inserito nel pacchetto ResAP) è un potente software per l'analisi dell'efficacia degli impianti di terra. Si calcola la resistenza di un sistema di messa a terra, il potenziale di terra in qualsiasi punto all'interno o all'esterno dell'impianto dell'impianto e la la tensione di di terra della rete e delle strutture metalliche a contatto con essa. Si ottengono anche le tensioni di contatto e di passo in ogni punto dell’impianto, dell’impianto, e vengono indicate le regioni dove sono superati i limiti di sicurezza. L'interfaccia utente è costituita da un modulo di disegno CAD per la progettazione della rete di messa a terra, insieme a diversi moduli integrati quali: Il modulo del suolo determina le caratteristiche del suolo da misure di resistività già effettuate. È possibile, in alternativa, scegliere un modello di terreno tra vari tipi, compresi i suoli stratificati orizzontalmente, suoli verticalmente a più livelli, e il suolo con "eterogeneita 'arbitraria", dove le proprietà elettriche del terreno possono variare arbitrariamente in funzione della posizione.

Figura 51: Finestre per l’inserimento delle caratteristiche del terreno. 



Il modulo del circuito calcola le proprietà geometriche ed elettriche delle linee di distribuzione o di cavi e determina la distribuzione della corrente di guasto. È possibile anche considerare impianti ed impianti di terra nelle vicinanze che possono introdurre potenziali non trascurabili; Il modulo di sicurezza stabilisce i criteri utilizzati nella valutazione della sicurezza dell’impianto, inclusi i limiti sulle tensioni di contatto e di passo, sulla base di norme di vostra scelta (ad esempio, IEEE, IEC). È possibile scegliere che il programma valuti quale area dovrebbe essere esaminata per questioni di sicurezza (in base alle dimensioni della griglia) o imporre esplicitamente la regione di interesse sulla parte superiore della griglia. Attraverso delle rappresentazioni grafiche è facile vedere quali zone sono fuori dai limiti e dopo pochi passaggi valutare l’efficacia delle misure correttive adottate;


Figura 52: Finestre per la scelta dei limiti di sicurezza. 

Il modulo di report gestisce i risultati che dovrebbero essere riportati o tracciati. Anche per questo programma sono possibili rappresentazioni 2D e 3D con equilinee o colori dei risultati ottenuti durante l’elaborazione del progetto;

Figura 53: Finestre per la scelta dei risultati da plottare. 

Altri moduli moduli di utilità e strumenti possono permettere un’analisi armonica dei risultati;

A2.6 Programma di simulazione GEO È un software per la progettazione degli impianti di terra (di bassa, media, alta tensione) in conformità alla Norma CEI 11-1 e alla Guida CEI 11-37. È in grado di calcolare la resistenza di terra e tracciare l'andamento del potenziale sul terreno per le tipologie di dispersore più diffuse o di disegnare il proprio dispersore avente una qualunque geometria in 2D. Inoltre il software aiuta il progettista a calcolare il coefficiente di riduzione della corrente di guasto dovuto alle funi di guardia delle linee aeree AT, quindi calcola la resistenza di terra del dispersore in terreno omogeneo di data resistività. Infine traccia l’andamento del potenziale pot enziale sul terreno

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Appendice 2

in corrispondenza del dispersore permettendo di confrontarne i valori con quelli massimi ammessi dalla Norma.

Figura 54: Rispetto ad altri GEO è un programma molto più essenziale (anche se per questo non meno costoso) che permette una rapida visione dell’insieme del progretto.

Dimensionamento impianti di terra

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