I T A L I A N A CEI Norma Italiana CEI 11-37 Data Pubblicazione Edizione 1996-11 Prima Classificazione Fascicolo 11-37 2911 GUIDA N O R M A Titolo Guida per l’esecuzione degli impianti di terra di stabilimenti industriali per sistemi di I, II e III categoria Title Electrical installation in industrial premises supplied by low, medium and high voltage systems – Earthing systems installation criteria GUIDA IMPIANTI E SICUREZZA DI ESERCIZIO COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO CNR CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE • AEI ASSOCIAZIONE ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA ITALIANA SOMMARIO La presente Guida contiene le raccomandazioni per una corretta esecuzione degli impianti di terra di stabilimenti industriali nei quali siano presenti impianti elettrici di I, II e III categoria, ad esclusione delle officine elettriche del Distributore Pubblico. A questo scopo vengono date le indicazioni da seguire per la corretta progettazione e realizzazione degli elementi dispersori, griglia e picchetti, dei conduttori di terra per mezzo del dimensionamento termico e del dimensionamento alle tensioni di passo e contatto, dando utili indicazioni esecutive legate alle possibili interferenze dell’impianto con strutture metalliche esterne, ai requisiti di accessibilità e ispezionabilità e alle misure sul posto. La presente Guida è stata elaborata tenendo conto della seguente normativa, attualmente in vigore, riguardante gli impianti elettrici utilizzatori: Norma CEI 11-8 Norma CEI 64-8. DESCRITTORI Impianto di terra; Stabilimento industriale; Corrente di guasto a terra; Tensioni di contatto e di passo; Funi di guardia; Guaine metalliche dei cavi; Masse estranee; Dispersore a griglia; Dispersore a picchetto; Resistività del terreno; Protezione contro la corrosione; Misure sul posto; COLLEGAMENTI/RELAZIONI TRA DOCUMENTI Nazionali CEI 11-1:1987-10; CEI 11-8:1989-12; Europei Internazionali Legislativi INFORMAZIONI EDITORIALI Norma Italiana CEI 11-37 Stato Edizione In vigore Varianti Nessuna Ed. Prec. Fasc. Nessuna Comitato Tecnico Approvata dal Pubblicazione Data validità Guida 1997-1-1 Carattere Doc. Ambito validità Nazionale 11-Impianti elettrici ad alta tensione e di distribuzione pubblica di bassa tensione Presidente del CEI in Data 1996-11-6 in Data Sottoposta a Gruppo Abb. inchiesta pubblica come Progetto C.638 2 Sezioni Abb. Chiusa in data 1996-4-30 A ICS CDU © CEI - Milano 1996. Riproduzione vietata. Tutti i diritti sono riservati. Nessuna parte del presente Documento può essere riprodotta o diffusa con un mezzo qualsiasi senza il consenso scritto del CEI. Le Norme CEI sono revisionate, quando necessario, con la pubblicazione sia di nuove edizioni sia di varianti. È importante pertanto che gli utenti delle stesse si accertino di essere in possesso dell’ultima edizione o variante. INDICE GENERALE Rif. Pag. Argomento CAPITOLO OGGETTO 1 E SCOPO 1 Oggetto ........................................................................................................................................................................................... Scopo ................................................................................................................................................................................................ Norme e leggi di riferimento .......................................................................................................................................... Definizioni .................................................................................................................................................................................... Simboli e indici ......................................................................................................................................................................... 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1 1 1 2 2 CAPITOLO 2 GENERALITÀ 2.1 2.2 2.3 Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Tab. 1 2 DELL’IMPIANTO DI TERRA FInalità ............................................................................................................................................................................................. 2 Tensione di terra ...................................................................................................................................................................... 2 Tensioni di contatto e di passo ..................................................................................................................................... 3 Andamento della tensione sulla superficie del terreno per un dispersore a griglia, immerso nella vasca elettrolitica a profondità corrispondente all’interramento di 1 m ....... 4 Andamento della tensione sulla superficie del terreno, secondo l’asse A-B, riferita alla tensione di terra UT, per una rete di terra a griglia interrata a 0,5 m, di area 75 m × 50 m ... 5 Tensione di contatto UC e di passo UP a carico Tensione di contatto UCO e di passo UPO a vuoto .......................................................................................... 6 .............................................................................................................................................................................................................. 7 Rilevanza delle tensioni di contatto e di passo (UC e UP) ....................................................................... Protezione contro le scariche atmosferiche ......................................................................................................... Drenaggio delle cariche elettrostatiche ................................................................................................................... 2.4 2.5 2.6 8 9 9 CAPITOLO LA 3 3.1 3.2 3.3 3.4 Fig. 4 3.5 3.6 Fig. 5 Fig. 6 3.7 Fig. 7 9 CORRENTE DI GUASTO A TERRA: RIPARTIZIONE E PERCORSO Generalità ...................................................................................................................................................................................... 9 Alimentazione in BT .............................................................................................................................................................. 9 Impianti con propria cabina o stazione di trasformazione, alimentati da una rete di distribuzione in MT o in AT ................................................................................. 9 Alimentazione in MT ........................................................................................................................................................... 10 Correnti capacitive di guasto a terra in una rete con neutro isolato ............................................... 11 Alimentazione in AT ............................................................................................................................................................ 12 Percorso e alimentazione della corrente di guasto ....................................................................................... 13 Schema di principio e andamento quantitativo delle correnti per guasto unipolare a terra di un’installazione industriale senza autoproduzione ................................................................ 14 Schema di principio e andamento qualitativo delle correnti per guasto unipolare a terra nell’ipotesi che lo stabilimento industriale sia dotato di autoproduzione: a) guasto entro lo stabilimento industriale b) guasto fuori dallo stabilimento industriale (per es. in linea) .......................................................... 15 Contributo delle funi di guardia e delle guaine metalliche dei cavi – I circuiti di ritorno .... 16 Andamento della corrente percentuale nel dispersore di stazione per guasto a terra alimentato da una sola linea provvista di una o due funi di guardia, in funzione della resistenza di terra dei sostegni RS per alcuni valori della resistenza di terra della stazione .. 18 Tab. 2 ............................................................................................................................................................................................................. 19 Fig. 8 Fig. 9 3.8 Catena composta dalla impedenza Zw delle funi e dalla resistenza di terra RS dei sostegni posti a distanze uguali dT Zp = Impedenza di ingresso della fune di guardia ....................................................................................... 20 Ripartizione delle correnti di corto circuito a terra per guasto all’interno dello stabilimento .............................................................................................................. 21 Messa a terra della distribuzione MT all’interno dell’impianto industriale: corrente di guasto .. 22 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina iii Fig. 10 Fig.11 Fig. 12a Fig. 12b Esempio di schema semplificato di cabina primaria di utente, con distribuzione nello stabilimento in MT intermedia e BT ................................................................ 22 Il neutro e le masse in media tensione sono collegate ad una unica rete di terra magliata ... 26 Schema equivalente del circuito di guasto ......................................................................................................... 26 Schema equivalente del circuito di guasto ......................................................................................................... 27 CAPITOLO COLLEGAMENTO 4 Fig. 13 Fig. 13a Fig. 13b Fig. 14 Fig. 14a Fig. 14b Fig. 15 DEL NEUTRO DELLA BT ALL’IMPIANTO GENERALE DI TERRA DELLE INSTALLAZIONI ALIMENTATE IN MT E AT Impianto di terra unico ..................................................................................................................................................... Sistema TN-S ............................................................................................................................................................................. Sistema TN-C ............................................................................................................................................................................. Impianti di terra di cabina e di stabilimento separati ................................................................................. Sistema TT ................................................................................................................................................................................... Sistema TN .................................................................................................................................................................................. Cabina MT/BT con terra esterna, UT > 250 V sistema TT ........................................................................ 28 29 29 29 31 31 31 33 CAPITOLO TENSIONI 5 35 5.1 35 5.2 5.3 5.4 Fig. 16 Fig. 17 Fig. 18 Fig. 19 Fig. 20 TRASFERITE ALL’ESTERNO DELL’IMPIANTO DI TERRA Generalità .................................................................................................................................................................................... Funi di guardia ........................................................................................................................................................................ Guaine metalliche dei cavi ............................................................................................................................................. Masse estranee ......................................................................................................................................................................... Separazione su tubazione fuori terra ...................................................................................................................... Interruzione dell’acquedotto con un tratto di materiale isolante ........................................................ Interruzione continuità elettrica delle rotaie ...................................................................................................... Cancello elettrico interno alla terra di stazione ............................................................................................... Cancello elettrico esterno alla terra di stazione ............................................................................................... 35 36 36 38 39 40 42 43 CAPITOLO 6 INTERFERENZE Fig. 21 Fig. 22 TRA IMPIANTO DI TERRA E STRUTTURE METALLICHE ESTERNE 44 Strutture comprendenti una recinzione metallica sostenuta da paletti metallici interrati nella zona d’influenza di una maglia di terra; andamento della tensione UT% sul terreno a partire dal centro della maglia, nella direzione indicata, in percento della tensione totale di terra della maglia – Estensione totale della recinzione supposta pari a 40 m e sostenuta da tre paletti interrati .......... 45 Strutture comprendenti una recinzione metallica sostenuta da paletti metallici interrati nella zona d’influenza di una maglia di terra; andamento della tensione UT% sul terreno a partire dal centro della maglia, nella direzione indicata, in percento della tensione totale di terra della maglia – Recinzione che si estende anche al di fuori della zona di influenza della maglia .... 46 CAPITOLO PROPRIETÀ 7 DIVERSE; INTERFACCIA CON IL DISTRIBUTORE PUBBLICO 46 CAPITOLO IL 8 47 8.1 47 DISPERSORE IN IMPIANTI DI II E III CATEGORIA Generalità .................................................................................................................................................................................... Dispersore magliato, o a griglia .................................................................................................................................. Resistenza del dispersore a griglia [bibl. 8,14] ................................................................................................... Resistenza del dispersore verticale, o picchetto [bibl. 8, 11] ................................................................... Altri dispersori .......................................................................................................................................................................... La resistività del terreno .................................................................................................................................................... 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 Tab. 3 Tab. 4 8.7 8.8 47 48 48 49 50 ............................................................................................................................................................................................................ 50 ............................................................................................................................................................................................................ 50 Dimensionamento termico del dispersore a griglia ...................................................................................... Dimensionamento termico dei conduttori di terra ........................................................................................ GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina iv 50 51 CAPITOLO DIMENSIONAMENTO 9 51 9.1 51 9.2 9.3 Fig. 23 9.4 9.5 9.6 9.7 Fig. 24 9.8 ALLE TENSIONI DI CONTATTO E DI PASSO Determinazione delle UC e UP ...................................................................................................................................... Rimedi, provvedimenti correttivi ................................................................................................................................ Schema a blocchi ................................................................................................................................................................... Schema a blocchi per le tensioni di contatto UCA = UC ammissibile secondo 2.1.04 della Norma CEI 11-8 ....................................................................................... Esecuzione dell’impianto di terra .............................................................................................................................. Protezione contro la corrosione ................................................................................................................................. Interferenze ad Alta Frequenza ................................................................................................................................... Altri aspetti esecutivi ........................................................................................................................................................... Messa a terra di una barriera metallica di protezione ................................................................................ Accessibilità, visibilità, ispezionabilità .................................................................................................................... 52 53 54 55 55 56 57 58 59 CAPITOLO DIMENSIONAMENT O ED ESECUZIONE DELL’IMPIANTO DI TERRA NELLA SEZIONE DI 10 I CATEGORIA DI INSTALLAZIONE INDUSTRIALE CON PROPRIA CABINA DI TRASFORMAZIONE Dimensionamento termico di impianto di tipo TT ....................................................................................... Dimensionamento termico di impianto di tipo TN ...................................................................................... 10.1 10.2 Fig. 25 10.3 10.4 10.5 Fig. 26 59 59 59 ............................................................................................................................................................................................................ 61 Protezione contro i contatti indiretti ........................................................................................................................ Esecuzione dell’impianto di messa a terra .......................................................................................................... Misura dell’impedenza dell’anello di guasto ..................................................................................................... Circuito utilizzato per la determinazione della tensione di contatto UCG in caso di reale guasto franco a massa .......................................... 63 66 69 70 CAPITOLO 11 PRESCRIZIONI 71 11.1 71 PARTICOLARI Impianti di illuminazione stradale interna .......................................................................................................... Drenaggio delle cariche elettrostatiche ................................................................................................................. 11.2 71 CAPITOLO MISURE 12 73 12.1 SUL POSTO Misura della resistività del terreno ............................................................................................................................ Schema del circuito usato per la misura della resistività del terreno .............................................. Misura della resistenza totale di terra ..................................................................................................................... Misura delle tensioni di passo e di contatto ...................................................................................................... Circuito utilizzato per le misure: a) della resistenza totale di terra; b) delle tensioni di contatto e di passo ................................................................................................................. 73 BIBLIOGRAFIA 78 Fig. 27 12.2 12.3 Fig.28 73 74 76 77 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina v GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina vi 1 OGGETTO E SCOPO CAPITOLO 1.1 Oggetto La presente Guida riguarda gli impianti di terra di stabilimenti industriali nei quali siano presenti impianti elettrici di I, II e III categoria o solamente di I e II categoria o solamente di I categoria. Nel comune linguaggio tecnico la I categoria coincide con la BT, la II categoria con la MT, e la III categoria con la AT. Nel seguito del testo anche le definizioni di installazione, stabilimento e impianto si ritengono equivalenti. Non rientrano nell’oggetto di questa guida le stazioni, le cabine e in genere le officine elettriche del Distributore Pubblico (D.P.). 1.2 Scopo Scopo della presente Guida è di dare semplici indicazioni al progettista e all’installatore, nell’ambito delle Norme esistenti, per il dimensionamento delle varie parti dell’impianto, per la pratica esecuzione dello stesso e per le misure da eseguire. Le condizioni che seguono sono di carattere generale e non tengono conto del fatto che le proprietà dello stabilimento industriale e della rete di alimentazione possano essere diverse. Nel caso, pur molto frequente, che la rete di alimentazione sia di proprietà diversa da quella dello stabilimento industriale, in particolare sia quella del Distributore Pubblico, accordi dovranno essere presi dalle due parti, adeguandosi alle normative usuali del D.P. secondo le indicazioni che verranno date al Cap. 7. 1.3 Norme e leggi di riferimento n n n n n n n n n n n n Norma CEI 11-1. Impianti di produzione, trasporto e distribuzione di energia elettrica – Norme generali. (Attualmente è in vigore l’ottava edizione, Ottobre 1987, Fascicolo 1003). Norma CEI 64-8. Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua. (Attualmente è in vigore la terza edizione, Ottobre 1992, fascicoli 1916-1922). Norma CEI 81-1. Protezione di strutture contro i fulmini. (Attualmente è in vigore la terza edizione, Dicembre 1990, fascicolo 1439). Norma CEI 11-8. Impianti di produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica – Impianti di terra. (Attualmente è in vigore la terza edizione, Dicembre 1989, fascicolo 1285). Norma CEI 11-20. “Impianti di produzione diffusa di energia elettrica fino a 3 MW”, Gennaio 1991 2° Edizione. Norma CEI 64-2. Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione. (Attualmente è in vigore la quarta edizione, Novembre 1990, fascicolo 1431). Guida CEI 64-12. Guida per l’esecuzione dell’impianto di terra negli edifici per uso residenziale e terziario. Guida CEI 11-25 “Calcolo delle correnti di corto circuito nelle reti trifasi”. Le più importanti leggi che in qualche modo fanno riferimento con gli impianti di terra sono le seguenti: DPR 27 Aprile 1955 n° 547 – Norma per la prevenzione degli infortuni sul lavoro; Legge 5 Marzo 1990 n° 46 – Norma per la sicurezza degli impianti; DPR 6 Dicembre 1991 n° 447 – Regolamento di attuazione della legge 5 Marzo 1990 n° 46 in materia di sicurezza degli impianti; Allegato D al RD 6.5.1940 – Regolamento per l’esecuzione del T.U. delle leggi di P.S. CEI 11-37:1996-11 86 150.000 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 1 di 80 1.4 Definizioni Per tutte le definizioni si rimanda alle Norme CEI 11-1, 11-8 e 64-8. 1.5 Simboli e indici Ove non specificato nel testo, i simboli e gli indici sono gli stessi delle Norme 11-1, 11-8 e della Guida 11-25. 2 GENERALITÀ DELL’IMPIANTO DI TERRA CAPITOLO 2.1 FInalità Le principali finalità dell’impianto di terra sono: a) vincolare (mediante collegamento diretto o tramite impedenza, per lo più puramente resistiva) il potenziale di determinati punti (in generale il centro stella, naturale o artificiale) dei sistemi elettrici (di uno di essi, di alcuni o di tutti) esistenti nell’area dell’impianto considerato; b) disperdere nel terreno correnti del sistema elettrico in regime normale e perturbato senza danni per l’apparecchiatura; c) assicurare che le funzioni a) e b) si svolgano in condizioni di sicurezza per le persone per quanto riguarda il rischio di folgorazione; d) disperdere nel terreno le correnti convogliate dagli impianti di protezione contro le scariche atmosferiche. 2.2 Tensione 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 di terra UT, cioè la tensione che l’impianto di terra, e quindi tutte le masse ad esso collegate, assume verso il terreno a distanza infinita cioè a potenziale zero. L’andamento del potenziale sulla superficie del terreno sovrastante un dispersore a griglia, è rappresentato a titolo di esempio in Fig. 1, come da misure alla vasca elettrolitica per un dispersore a griglia regolare [bibl. 1], e in Fig. 2, come risulta da programma di calcolo per un dispersore a griglia irregolare, conforme alla pianta riportata nella parte superiore della figura [bibl. 2]. I valori sono dati in % della UT, rappresentata in entrambe le figure dalla retta tratteggiata parallela all’asse delle ascisse in corrispondenza al valore 100% sull’asse delle ordinate. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 2 di 80 2.3 Tensioni di contatto e di passo La tensione di contatto è la differenza di potenziale fra la parte metallica (massa) di una apparecchiatura, messa in tensione da un guasto, e il terreno dove presumibilmente si troverebbero i piedi di un operatore che toccasse accidentalmente la massa. Tenendo presente che la tensione della massa è praticamente uguale a quella del dispersore al quale è collegata metallicamente, si può anche dire che la tensione di contatto è uguale alla differenza di potenziale fra il dispersore e il terreno nel punto in cui si posano i piedi dell’operatore. Un’analoga differenza di potenziale si può stabilire in caso di guasto a terra nell’installazione industriale, tra il terreno ed una massa estranea. Secondo la definizione della Norma CEI 11-8 per tensione di contatto si intende convenzionalmente la tensione mano-piedi, con i piedi alla distanza di 1 m dalla proiezione verticale della massa. La tensione di passo è la differenza di potenziale fra due punti del terreno posti alla distanza di un passo convenzionalmente definita dalla Norma CEI 11-8 pari a 1 m, e corrisponde alla differenza di potenziale fra le due linee equipotenziali affioranti nel terreno nei due punti considerati. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 3 di 80 Fig. 1 Andamento della tensione sulla superficie del terreno per un dispersore a griglia, immerso nella vasca elettrolitica a profondità corrispondente all’interramento di 1 m LEGENDA a b c c b a Um Diagonale spigolo arrotondato Mediana Profondità –1m tensione sul terreno in corrispondenza del centro delle maglie GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 4 di 80 Fig. 2 Andamento della tensione sulla superficie del terreno, secondo l’asse A-B, riferita alla tensione di terra UT, per una rete di terra a griglia interrata a 0,5 m, di area 75 m × 50 m Um = Tensione del terreno espressa in % di UT. Nella piantina superiore i numeri danno i valori della tensione in corrispondenza del centro delle maglie in % di UT. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 5 di 80 Fig. 3 Tensione di contatto UC e di passo UP a carico Tensione di contatto UCO e di passo UPO a vuoto LEGENDA UCO, UPO Tensioni di contatto e di passo a vuoto UC, UP Tensioni di contatto e di passo applicate alla persona RT Resistenza di terra del dispersore RC Resistenza del corpo umano RTP Resistenza tra il terreno e un piede UT Tensione di terra Schema del circuito per UC GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 6 di 80 Schema del circuito per UP La presenza dell’uomo, in virtù della sua resistenza interna, convenzionalmente assunta pari a 1000 Ω, altera l’andamento della tensione di contatto e di passo in superficie. La Fig. 3 chiarisce la distinzione fra tensione di contatto e di passo a vuoto e sull’uomo [bibl. 3]. Nello schema relativo alla tensione di contatto, l’uomo che tocca la massa in tensione, cortocircuita 1 m 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, come detto sopra, 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, come si vedrà in seguito al par. 8.6. Convenzionalmente per tensione di contatto s’intende quella tra una mano e i due piedi; ne consegue che, detta RTP la resistenza terreno-piede, nello schema relati1 vo alla tensione di contatto UC, la resistenza dei due piedi in parallelo è --- R TP . 2 Similmente nella rappresentazione della tensione di passo, l’uomo cortocircuita un tratto di terreno di 1 m, provocando una riduzione della differenza di potenziale sulla superficie del terreno tra questi due punti, nell’ipotesi naturalmente che l’uomo si sposti 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 corrispondente alla tensione di passo, i piedi sono tra loro in serie, quindi la resistenza terreno-piede è eguale a 2 RTP, vale a dire 4 volte maggiore che nel caso della UC. Nella tabella che segue sono indicati i limiti posti dalla Norma CEI 11-8, par. 2.1.04 per gli impianti di terra nelle officine elettriche e negli impianti di terra con tensione nominale maggiore di 1000 V. Tab. 1 Tempo eliminazione guasto (s) ≥2 1 0,8 0,7 0,6 ≤ 0,5 Tensione di contatto e di passo UC e UP 50 70 80 85 125 160 Si rileva che nella Norma CEI 11-8 non si fa più distinzione tra tensione di contatto UC e di passo UP, e la ragione di ciò dipende dalla maggiore pericolosità della corrente nel corpo umano nel percorso mano-piedi che nel percorso piede-piede. In effetti il pericolo per le persone dipende essenzialmente dalla corrente e dalla sua durata, cioè dall’energia liberata durante il passaggio della corrente. Questa energia è determinante nei riguardi del rischio di fibrillazione ventricolare nel cuore, che è la causa principale degli esiti letali da folgorazione. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 7 di 80 L’argomento è trattato in dettaglio nei rapporti IEC 479-1 (1984) e IEC 479-2 (1987)(1), nella quale sono esposti anche i valori della resistenza probabile del corpo umano, e quindi il procedimento seguito per passare dal valore di corrente ammissibile, ai valori delle tensioni di contatto ammissibili. Queste infatti sono di più pratica applicazione al fine della protezione contro i contatti diretti e indiretti. Dall’analisi delle resistenze delle diverse parti del corpo umano esposta nella suddetta norma, risulta che il percorso da piede a piede è il meno pericoloso nei riguardi della fibrillazione ventricolare; ne consegue che il criterio di una soglia unica per UC e UP è cautelativo nei riguardi di quest’ultima. 2.4 Rilevanza delle tensioni di contatto e di passo (UC e UP) Se la resistenza di terra dell’impianto è bassa, e se la corrente che passa attraverso l’impianto di terra è relativamente piccola, allora anche la tensione totale di terra UT potrà essere mantenuta al di sotto dei limiti ammessi per UC e UP. Ma nei sistemi elettrici con neutro rigidamente a terra, la corrente di guasto monofase a terra può raggiungere valori di diversi kA in funzione del numero e della potenza dei trasformatori di alimentazione e dei criteri adottati nell’esercizio della rete. Conseguentemente la tensione UT può raggiungere valori molto elevati: per esempio se si assume una resistenza di terra dell’impianto di 0,5 Ω, e una corrente di guasto monofase a terra di 10 kA, allora risulta: UT = IT × RT = 10 × 0,5 = 5 kV dove: UT = tensione di terra in kV; IT = corrente di terra in kA; RT = resistenza di terra in Ω. Tuttavia anche in questo caso le condizioni di sicurezza possono essere rispettate se le tensioni di contatto e di passo sono contenute nei limiti della tabella. Questo può essere determinato in sede di progetto sia con ricerche alla vasca elettrolitica, sia con programmi adeguati di calcolo, e in ogni caso può e deve essere verificato con misure sul posto, a impianto finito. Ma come si vede subito dalle definizioni stesse di tensioni di contatto e di passo, e dall’andamento delle tensioni in superficie di Fig. 1, qualunque siano le dimensioni e la forma del dispersore, le UC e UP sono sempre una frazione della tensione totale di terra. Ricerche teoriche e l’esperienza quasi secolare autorizzano pertanto a ritenere, sulla base di criteri molto cautelativi, che se la tensione di terra non supera del 20% i limiti ammessi per le UC, queste sono rispettate in qualsiasi punto dell’impianto. Perciò la Norma 11-8 al par. 2.1.04 prevede l’esonero dalla verifica sul posto per tutti gli impianti dove UT ≤ 1,20 UC. Con condizioni restrittive imposte alle dimensioni e alla geometria dell’impianto, questo esonero è esteso inoltre fino al limite UT ≤ 1,8 UC; infatti sulla base di calcoli, prove e misure fatti su impianti di terra che rispettano le limitazioni suddette, si può ammettere con buon margine di sicurezza, che i valori ammissibili per UC siano sempre soddisfatti in tutti i punti dell’impianto. Ciò non vuol dire a priori che la stessa relazione UT ≤ 1,8 UC non sia valida anche per impianti maggiori; si potrebbe anzi sostenere che quanto più esteso è l’impianto, tanto minore è la sua RT e quindi a parità di altre condizioni, anche la sua UT. Ma di fronte all’infinita pluralità di forme e dimensioni degli impianti, non ci si è sentiti autorizzati, per ora, ad estendere indiscriminatamente la validità della relazione predetta. (1) Tradotti nella Pubblicazione CEI fascicolo 1335 P (1990). GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 8 di 80 2.5 Protezione contro le scariche atmosferiche Quando deve servire anche per la protezione contro le scariche atmosferiche, l’impianto di terra deve soddisfare anche tutte le prescrizioni della Norma CEI 81-1. 2.6 Drenaggio delle cariche elettrostatiche Le strutture che, in determinate condizioni, possono essere sedi di cariche elettrostatiche che, a loro volta, possono essere causa di innesco di miscela esplosiva gas-aria o di nubi di polvere combustibile, devono essere collegate al dispersore generale (CEI 64-2 art. 14.2.02). Vedere più avanti in 11.2. 3 LA CORRENTE DI GUASTO A TERRA: RIPARTIZIONE E PERCORSO CAPITOLO 3.1 Generalità La Norma CEI 11-8 (par. 2.1.03) distingue tra corrente di guasto IG, definita “massima corrente di guasto monofase a terra del sistema elettrico” e corrente di terra IT definita “quota parte della corrente di guasto IG che l’impianto disperde nel terreno”. Nei paragrafi seguenti vengono messe in evidenza le implicazioni che questa distinzione comporta, ai fini del dimensionamento dell’impianto di terra. Quando gli stabilimenti industriali sono alimentati da una rete esterna, questa alimentazione può avvenire in BT, MT, o AT, in funzione della potenza richiesta e della posizione dello stabilimento industriale rispetto alla sua rete di alimentazione [bibl. 4]. 3.2 Alimentazione in BT Gli stabilimenti industriali alimentati in bassa tensione sono messi a terra con lo schema TT. Gli impianti di terra di questo tipo sono regolati dalla Norma CEI 64-8. Alcune ulteriori informazioni specifiche per gli impianti industriali sono date al Cap. 10. Agli impianti di terra relativi a applicazioni residenziali e terziarie, è dedicata l’apposita guida CEI 64-12. 3.3 Impianti con propria cabina o stazione di trasformazione, alimentati da una rete di distribuzione in MT o in AT All’interno dello 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 tutto il resto. La distribuzione in MT può essere alla stessa tensione di alimentazione, oppure ad un valore diverso MT1 opportunamente scelto. Si possono perciò avere i seguenti casi: n alimentazione in MT e distribuzione in BT; n alimentazione in MT con trasformazioni MT/MT1, distribuzione in MT e MT1, con cabine MT1/BT o MT/BT e successiva distribuzione in BT; n alimentazione in AT, con trasformazione AT/MT e successiva distribuzione secondo i criteri precedenti. Nel seguito si considerano i punti essenziali relativi alla messa a terra nei casi sopra esposti. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 9 di 80 3.4 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 non può chiudersi altro che attraverso le capacità verso terra della rete di alimentazione (Fig. 4). Poiché le capacità verso terra di una rete, sia aerea che in cavo, sono un parametro distribuito, la corrente di guasto IG è funzione, oltre che della tensione, anche dell’estensione della rete ed è quindi tanto più alta quanto più è estesa la rete. La Norma CEI 11-8 sugli impianti di terra riporta al par. 2.1.03 la formula per valutare la corrente di guasto in reti con neutro isolato: 1) IG = U (0,003 L1 + 0,2 L2) dove IG = corrente di guasto in A U = tensione nominale della rete in kV L1 = lunghezza delle linee aeree, in km L2 = lunghezza delle linee in cavo, in km Per lunghezza delle linee L1 e L2 si intendono le lunghezze rispettivamente delle linee aeree e in cavo ordinariamente collegate metallicamente fra loro durante l’esercizio. La stessa relazione si può esprimere in maniera mnemonicamente più semplice sotto la forma: n 3 A per ogni 10 kV di tensione nominale e 100 km di linea aerea; n 2 A per ogni 10 kV di tensione nominale e 1 km di linea in cavo. L’apporto dei cavi è, dunque, circa 67 volte quello delle linee aeree, a causa della maggiore capacità dei cavi verso terra. Il coefficiente 0,2 della formula 1) si riferisce a cavi con isolamento in carta impregnata. Per cavi con isolamento solido, è opportuno riferirsi al costruttore per ottenere dati più attendibili. In definitiva nei sistemi con neutro isolato: n la corrente capacitiva di guasto a terra IG dipende dalla estensione della rete al momento del guasto; n la corrente capacitiva di guasto a terra IG è indipendente dal punto del guasto; cioè la corrente di guasto è la stessa sia che il guasto avvenga vicino ai morsetti del trasformatore di alimentazione, o vicino all’utente, al termine di una linea. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 10 di 80 Fig. 4 Correnti capacitive di guasto a terra in una rete con neutro isolato 1 2 3 3 2 1 C1 C2 C3 3 2 1 C1 C2 C3 IG IC2 IC3 IC2 IC3 Per il dimensionamento dell’impianto di terra si considera la configurazione composta dalle linee ordinariamente collegate metallicamente tra loro durante l’esercizio. Per fare un esempio, se l’utente è collegato ad una rete MT a 15 kV la cui massima estensione, con tutte le linee in tensione sia di 80 km di linee aeree e di 6 km di linea in cavo, la corrente di guasto a terra è: IG = 3 × 1,5 × 0,8 + 2 × 1,5 × 6 = 3,6 + 18 = 21,6 A In sostanza nelle reti a MT con neutro isolato, la corrente di guasto a terra è generalmente modesta; da poche decine di ampere per reti prevalentemente aeree, a qualche centinaio di ampere per reti prevalentemente in cavo, come quelle urbane. La Norma CEI 11-8 (par. 2.3.02) 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 11 di 80 Ma nelle reti con neutro isolato, 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 3 volte maggiore e dalle sovratensioni transitorie che si originano 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 corrispondentemente più elevato in funzione dell’impedenza del circuito di guasto. La Norma CEI 11-8 (par. 2.3.02) 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. Ciò ad evitare che la conseguente sollecitazione termica porti alla sua fusione, che sarebbe poi difficile da individuare. 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. Ciò può portare ad un campo di valori molto vasto, in funzione delle impedenze del circuito compreso tra i due guasti, magari su radiali diverse. La letteratura tecnica [bibl. 5] dà le formule generali e quelle relative ai casi più frequenti. Al limite però, poiché non si può escludere che il secondo guasto avvenga nelle immediate vicinanze della stessa cabina del primo, un criterio cautelativo porterebbe a valutare la corrente di secondo guasto a terra uguale a quella del c.c. bifase, che è: 3 I ″k2 = ------- I ″k 2 2) dove I ″k2 e I ″k sono rispettivamente le correnti di c.c. bifase e c.c. trifase. 3.5 Alimentazione in AT Quando la richiesta di potenza dello stabilimento supera alcuni MVA, l’alimentazione può convenientemente essere fatta in AT; per l’Italia le tensioni normalizzate sono 132 kV o 150 kV od eventualmente 220 kV, che corrispondono a tensioni massime della rete di 145 kV, 170 kV, 245 kV (Norma CEI 11-18). 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, all’opposto di quanto avviene con neutro isolato, n la corrente di guasto non dipende dall’estensione della rete, n dipende invece dal punto di guasto, e dalla configurazione della rete che alimenta il guasto. Il calcolo delle correnti di c.c., sia trifase sia monofase a terra, è riportato nella letteratura tecnica e può essere eseguito secondo la Guida CEI 11-25, secondo le Pubblicazioni IEC 909-1 e IEC 909-2. Nelle reti AT con neutro a terra, sulle linee aeree protette con protezioni distanziometriche, i guasti che interessano la linea sono eliminati dall’intervento coordinato delle protezioni in primo gradino e dall’interruttore asservito a richiusura rapida. I guasti che interessano le stazioni alimentate sono eliminati dall’intervento del secondo gradino conseguente alla richiusura rapida. In prima approssimazione si può ritenere che il tempo di eliminazione del guasto può essere considerato di 0,5 s salvo casi particolari. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 12 di 80 3.6 Percorso e alimentazione della corrente di guasto Qualunque sia il tipo di alimentazione, non sempre tutta la corrente di guasto a terra viene dispersa dal dispersore nel terreno, come già anticipato in 3.1. La corrente di terra IT è quella determinante per la valutazione delle tensioni di contatto. Si consideri ad esempio il guasto in uno stabilimento come indicato nelle Fig. 5a)e 5b). In Fig. 5a) 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 IG = IT. 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 (con officina elettrica interna) come indicato in Fig. 5b). Come si vede chiaramente nella figura, il percorso 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 IT = 0. Procedendo nell’esame dei casi possibili, lo stabilimento industriale può essere alimentato da due sorgenti contemporaneamente, una esterna ed una interna come nel caso che ci sia una autoproduzione, ma anche una alimentazione da una rete esterna, come indicato in Fig. 6a). Qui le due situazioni di Fig. 5 coesistono e la corrente di guasto si divide in due rami, uno rappresentato dalla corrente di terra IT che corrisponde al contributo della sorgente esterna, un altro rappresentato dalla IG – IT che corrisponde al contributo dell’autoproduzione. Solo la corrente IT è determinante nei riguardi delle tensioni di contatto e di passo. Nel caso di Fig. 6a) questa è appunto la corrente di guasto prodotta dalla sorgente esterna; ma se il guasto avviene fuori dello stabilimento per es. su un palo di linea, e le due sorgenti sono in parallelo (Fig. 6b) la corrente IT2 che attraversa il dispersore dello stabilimento industriale può essere anche superiore alla corrente IT di Fig. 6a), se è preminente il contributo dell’autoproduzione. L’impianto di terra deve in ogni caso esser dimensionato per la maggiore tra le correnti che è chiamato a disperdere nel terreno. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 13 di 80 Fig. 5 Schema di principio e andamento quantitativo delle correnti per guasto unipolare a terra di un’installazione industriale senza autoproduzione LEGENDA d IT = IG E E RT IT IG CN IG a GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 14 di 80 a) Alimentazione da una sorgente esterna RT IT IG CT (PE) b c d b) Alimentazione da una sorgente interna RT E CN IG IG b IT = 0 IG c CT CN IG IT RT E Officina elettrica esterna Stabilimento industriale Utilizzatore Terra Conduttore di terra Conduttore di neutro del trasformatore Corrente di guasto Corrente di terra Resistenza di terra dell’impianto industriale Dispersore di terra CT (PE) a b c d Fig. 6 Schema di principio e andamento qualitativo delle correnti per guasto unipolare a terra nell’ipotesi che lo stabilimento industriale sia dotato di autoproduzione: a) guasto entro lo stabilimento industriale b) guasto fuori dallo stabilimento industriale (per es. in linea) LEGENDA a b c CT CN IG IT E Officina elettrica esterna Stabilimento industriale Terra Conduttore di terra Conduttore di neutro del trasformatore Corrente di guasto Corrente di terra Dispersore di terra b a G G CN CT CN CT IT CT IG IG = IT E E IT IT RT RT c IT a b G G IT1 IT2 CN CT CN CT IG E E E IT2 IT1 RT RT RT IT1 c IG GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 15 di 80 Contributo delle funi di guardia e delle guaine metalliche dei cavi I circuiti di ritorno 3.7 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. In Fig. 5b) il circuito di ritorno è il dispersore stesso che in questo caso, a dispetto del nome, non disperde corrente nel terreno, ma la convoglia direttamente al neutro del trasformatore. Ma anche nel caso più generale di sorgente esterna all’impianto considerato vi possono essere circuiti metallici di ritorno, e questi sono tipicamente le funi di guardia delle linee aeree e gli schermi o le guaine metalliche dei cavi, se collegati agli impianti di terra delle stazioni, o 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 ritorno, quanto 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 corrispondentemente ridotta e così anche la sua tensione di terra [bibl. 1, 9, 10]. In una rete con neutro a terra, la fune di guardia o lo schermo dei cavi adempiono a due funzioni: 1) La prima, che vale solo per le funi e le guaine di linee che alimentano il guasto, è quella di drenare una notevole aliquota della corrente di guasto stessa, sottraendola al dispersore di stabilimento, in virtù dell’accoppiamento induttivo tra le spire costituite dai conduttori di fase e dal terreno e le spire costituite dalle funi di guardia o guaine metalliche e dal terreno. Grazie al contributo di tali circuiti di ritorno, il compito del dispersore dello stabilimento può essere notevolmente alleggerito. Per ogni linea che alimenta il guasto si definisce fattore di riduzione ri il rapporto tra la corrente di terra ITi, cioè la aliquota di corrente immessa nel terreno attraverso il dispersore, e la corrente di guasto monofase a terra 3I0i fornita dalla linea stessa, cioè: I Ti r i = ------------3 ⋅ I 0i 3) Il termine 3 I0i, cioè tre volte la componente omopolare, deriva dal calcolo della corrente di guasto monofase a terra con il metodo delle componenti simmetriche, quale è quello raccomandato nelle Norme IEC e quindi anche nella Guida CEI 11-25. In sostanza è 3 I0 = IG. Per una linea con funi di guardia il fattore di riduzione r dipende dal materiale delle funi, dalla loro impedenza omopolare, dalle distanze tra le funi di guardia e conduttori di fase, dalla resistenza dei dispersori dei sostegni di linea e dalla resistività del terreno. Metodi di calcolo del fattore r si trovano nella letteratura tecnica [bibl. 1, 6, 7] e anche nella pubblicazione IEC 909-3 [bibl. 5]. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 16 di 80 Come valori di orientamento per fune di guardia singola, nell’ipotesi cautelativa di trascurare il contributo alla dispersione da parte dei sostegni di linea, valgono i seguenti: n fune in acciaio zincato r = 0,95; n fune in alumoweld r = 0,85; n fune in copperweld r = 0,70. In Fig. 7 [bibl. 7] sono forniti alcuni abachi per la lettura del fattore di riduzione r nel caso di linea con una o due funi di guardia, in funzione del valore della resistenza di terra Rs dei sostegni di linea e per alcuni valori della resistenza di terra RT del dispersore della stazione. In presenza di sostegni di linea di piccola resistenza di terra la corrente drenata dalle funi di guardia può essere notevolmente superiore ai contributi minimi indicati sopra. Per i cavi, il fattore di riduzione r dipende dal tipo e dimensione degli schermi e guaine metalliche e deve essere chiesto al costruttore. Per cavi con tensioni di esercizio di 132 kV e 150 kV, in olio fluido o in isolamento solido, con sezioni da 150 mm2 a 1000 mm2, valori indicativi sono 0,25 ÷ 0,30. Valori orientativi per cavi 10-20 kV sono i seguenti: n isolamento in carta impregnata: n Cu 95 mm2/guaina in piombo 1,2 mm r = 0,20 ÷ 0,60 2 n Al 95 mm /guaina in alluminio 1,2 mm r = 0,20 ÷ 0,30 n isolamento in XLPE (polietilene reticolato): n Cu 95 mm2/16 mm2 di schermo di rame r = 0,50 ÷ 0,60 [bibl. 8]. Le guaine dei cavi hanno dunque un effetto drenante molto superiore a quello delle funi di guardia, occorrerà però eseguire per essi la verifica termica, come verrà detto nel seguito. Sia nel caso di funi di guardia che nel caso di guaine metalliche di cavi, la corrente di terra ridotta è espressa da: 4) I T = r ⋅ I G = r ⋅ 3I 0 se il guasto è alimentato da una linea, e da: 5) I T = r 1 ⋅ 3I 01 + r 2 ⋅ 3I 02 se le linee alimentanti il guasto sono due, dove r1 e r2, rispettivamente I01 e I02 sono i fattori di riduzione e le correnti omopolari delle due linee. Corrispondentemente, le correnti nelle funi di guardia divengono rispettivamente: 6) 7) I w = I G – I T = ( 1 – r ) ⋅ 3I 0 I w = ( 1 – r 1 ) ⋅ 3I 01 ; I w2 = ( 1 – r 2 ) ⋅ 3I 02 Nel caso di linee in cavo, per gli sfasamenti tra le diverse correnti, la corrente drenata dalle guaine metalliche dei cavi non è ricavabile direttamente dalla conoscenza del fattore di riduzione r. D’altra parte occorre verificare che questa corrente drenata dalla guaina sia inferiore a quella ammissibile nella guaina stessa. Per informazioni conviene rivolgersi al costruttore, tenendo presente che con il termine generico di guaina metallica si intendono sia gli schermi sia le eventuali armature metalliche. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 17 di 80 Fig. 7 Andamento della corrente percentuale nel dispersore di stazione per guasto a terra alimentato da una sola linea provvista di una o due funi di guardia, in funzione della resistenza di terra dei sostegni RS per alcuni valori della resistenza di terra della stazione LEGENDA Rs (Ω) per due funi Rs (Ω) per una fune a GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 18 di 80 b due funi una fune a b due funi una fune acciaio alumoweld due funi a una fune b copperweld a b 2) La seconda funzione è esplicata dalle funi di guardia e dalle guaine metalliche di tutte le linee in arrivo o in partenza, anche da quelle che non alimentano il guasto, o addirittura sono fuori tensione purché con funi di guardia e guaine collegate 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 Zp della catena, come rappresentato in Fig. 8, si pone in parallelo alla resistenza del dispersore. Dette: RS la resistenza di terra di un sostegno Zw l’impedenza omopolare di una campata di fune di guardia nell’ipotesi semplificativa che tutti i valori di Rs siano costanti almeno per i primi pali in partenza dallo stabilimento o stazione, e che le corrispondenti campate abbiano una lunghezza costante, il valore della impedenza di ingresso di una fune di guardia è dato da [bibl. 11, 12, 13, 14]: 2 8) Zp Zw 1 = --- Z w + Z w ⋅ R s + ------2 4 Poiché in genere il valore di Zw è molto più basso di quello di RS, la precedente si può anche semplificare in: 1 Z p = --- Z w + Z w ⋅ R s 2 9) Formule per il calcolo di Zw e Zp si possono trovare nella letteratura tecnica e nella Pubblicazione IEC 909-3 [bibl. 5]. In Tab. 2 sono riportati alcuni valori dell’impedenza d’ingresso (modulo e fase) per funi di guardia singole di diverso materiale e per due valori della resistenza di terra Rs dei sostegni di linea. La lunghezza della campata è supposta 300 m. Tab. 2 Materiale della fune di guardia Acciaio Alumoweld Copperweld Impedenza di ingresso Zp [Ω] φ Zp [Ω] φ Zp [Ω] φ Resistenza di terra Rs dei sostegni di linea Rs = 5 Ω Rs = 50 Ω 2,5 10° 1,7 20° 1,4 31° 7 16° 5,5 27° 5 36° Analoga funzione è esplicata dalle guaine metalliche dei cavi se sono collegate a terra a entrambi gli estremi. In tal caso l’impedenza Zp è somma dell’impedenza omopolare delle tre guaine metalliche (in parallelo) e della resistenza di terra del dispersore della stazione contigua allo stabilimento industriale, che risulta collegata in serie agli schemi. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 19 di 80 Lo schema della distribuzione della corrente di guasto in una stazione o stabilimento industriale alimentato in entra-esce da due linee ad AT in rete con neutro a terra e con autoproduzione locale, o comunque con trasformatore con neutro messo a terra in stazione, si presenta come in Fig. 9 [bibl. 5, 8]. La corrente di guasto monofase a terra risulta: I G = 3 ⋅ I 0 + I TR 10) La corrente che interessa il dispersore di stabilimento e i dispersori ausiliari nel loro complesso (Fig. 9) risulta: I T = r ( I G – I TR ) 11) dove r = fattore di riduzione della linea che indica il guasto; ITr = corrente di guasto monofase dal trasformatore; IT = corrente di terra che interessa il complesso disperdente. L’impedenza di terra della stazione con i dispersori di guardia collegati è: 1 Z T = ----------------------1 1 ------ + n -----ZP RT 12) La tensione di terra è: UT = IT ⋅ ZT 13) La corrente iniettata a terra dal solo dispersore di stabilimento (Fig. 9) è: ZT I RT = I T ------ R T 14) Tale corrente va presa in considerazione per la determinazione delle tensioni di contatto e di passo. Fig. 8 Catena composta dalla impedenza Zw delle funi e dalla resistenza di terra Rs dei sostegni posti a distanze uguali dT Zp = Impedenza di ingresso della fune di guardia LEGENDA a b Fune di guardia Terra a b GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 20 di 80 Fig. 9 Ripartizione delle correnti di corto circuito a terra per guasto all’interno dello stabilimento LEGENDA a b c d e f ITr IG IT IRT RS RT ZP UT Terra Conduttore di fase Autoproduzione Circuito equivalente Fune di guardia Dispersore = Corrente di guasto nel neutro del trasformatore = Corrente di guasto = Corrente di terra = Corrente dispersa nel terreno = Resistenza di terra dei sostegni = Resistenza di terra del dispersore = Impedenza d’ingresso della fune di guardia = Tensione di terra a b c d e f a GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 21 di 80 Messa a terra della distribuzione MT all’interno dell’impianto industriale: corrente di guasto 3.8 Qualunque sia l’alimentazione primaria, all’interno dello stabilimento ci potrebbe essere una rete in media tensione per alimentare carichi particolarmente importanti. La media tensione potrebbe essere la stessa dell’alimentazione esterna, a 15 kV (o 20) kV, oppure essere una tensione intermedia, scelta tra quelle normalizzate, in pratica 10 kV o 6 kV. Lo schema potrebbe essere quello di Fig. 10. Per la distribuzione in media tensione all’interno dell’impianto industriale si possono seguire due sistemi: n rete a neutro isolato; n rete con neutro a terra attraverso impedenza. Rete a neutro isolato 3.8.1 Questo sistema può essere imposto dall’esigenza di conservare in esercizio l’impianto per un certo tempo, anche in presenza di un contatto a terra di una fase. La corrente di guasto infatti che, come si è visto, è la corrente capacitiva verso terra della rete, si mantiene ad un valore così basso da rendere tollerabile il danno da essa provocato nel punto di guasto (cavi, trasformatori, quadri ed eventualmente macchine rotanti). Fig. 10 Esempio di schema semplificato di cabina primaria di utente, con distribuzione nello stabilimento in MT intermedia e BT 20 kV 6 kV Utenze BT Utenze MT Appena la corrente capacitiva supera i 5 A ÷ 10 A, questa soluzione diventa praticamente inapplicabile. Per quel che riguarda l’impianto di terra dell’utente, cioè dell’impianto industriale, il suo funzionamento è diverso a seconda che la sorgente di alimentazione sia solo esterna o solo interna all’impianto, o sia una combinazione dei due casi. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 22 di 80 Qui ci limitiamo a considerare il caso più frequente di stabilimento industriale alimentato in MT da una rete esterna, con distribuzione interna propria, a una MT intermedia, per es. 6 kV, come rappresentato nella Fig. 10, per l’alimentazione dei carichi più pesanti. In questo caso, l’utente è libero di scegliere 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, per ragioni di continuità di esercizio, l’interruzione automatica del circuito al primo guasto a terra, l’impianto di terra per il guasto a terra sulla rete a 6 kV, è dimensionato, per quel che riguarda la portata in corrente, per la corrente di doppio guasto a terra. Praticamente 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 (ausiliari). Infatti il caso ricade nello schema di Fig. 5b), nel quale però la distribuzione avviene con rete a neutro isolato invece che con neutro a terra come ivi indicato. Il terzo caso è tipico dell’alimentazione esterna dal D.P., con autoproduzione interna all’impianto. Per l’esercizio in parallelo delle due reti, l’utente deve prendere accordi con il D.P., conformemente alle prescrizioni della Norma CEI 11-20. Il dispersore di terra deve essere dimensionato per la corrente capacitiva di guasto a terra prodotto solamente dalla rete MT del D.P., in quanto quella prodotta dall’autoproduzione si chiude attraverso i conduttori metallici come nel caso precedente. Si torna su tali considerazioni al Cap. 7. 3.8.2 Rete con neutro a terra tramite impedenza In questo sistema il neutro della rete MT all’interno dello stabilimento è collegato a terra attraverso una resistenza o reattanza limitatrice della corrente di guasto. La resistenza di messa a terra può essere inserita direttamente fra il centro stella dei trasformatori o dei generatori, o talvolta di reattanze zig-zag di sbarra (centro stella fittizio), e la terra (resistenza a media tensione): oppure il collegamento avviene attraverso il secondario di un trasformatore monofase inserito fra centro stella e terra. Il valore della resistenza di messa a terra è scelto secondo due criteri diversi, in relazione ai diversi aspetti protettivi che si vogliono privilegiare: n resistenza di basso valore, atta a ridurre la corrente di guasto a terra a valori compresi tra la corrente nominale di un trasformatore di alimentazione e alcune centinaia di ampere; n resistenza di alto valore, atta a limitare la corrente di guasto a terra a valori dell’ordine della decina di ampere o meno. Il primo criterio, privilegia la robustezza dei componenti (resistenza) e la semplicità dei dispositivi di protezione, che possono essere del tipo usato per la protezione contro le sovracorrenti; il potenziale del sistema risulta saldamente vincolato a terra ed è ridotto al minimo il pericolo di sovratensioni transitorie, sia di origine interna che esterna, 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. Come detto, si privilegia la protezione contro le sovratensioni a scapito di quella contro il cortocircuito. Il secondo criterio avvicina molto il criterio a neutro isolato e privilegia la protezione contro i danni conseguenti alle elevate correnti, nelle macchine rotanti e nei trasformatori e, non meno importante, nei quadri, non solo dovuti al primo guasto, ma soprattutto all’evolversi di questo. Tanto minore il pericolo (e i danni) GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 23 di 80 per corrente, tanto maggiore è l’attitudine del sistema ad essere sede di sovratensioni di varia origine (oscillazioni per guasto a terra, risonanza fra cavi e riduttori di tensione, ferrorisonanza). Ancora in relazione al valore delle correnti di guasto a terra (praticamente indipendente dal punto di guasto) i relè devono essere di tipo direzionale, e inoltre capaci di discriminare fra la componente capacitiva e quella attiva, dovuta quest’ultima prevalentemente alla resistenza di messa a terra; inoltre, al decrescere della corrente di guasto, è necessario adottare riduttori di tipo toroidale. Come nella soluzione a neutro isolato, appena la corrente capacitiva supera i 5 – 10 A, questa soluzione diventa praticamente inapplicabile [bibl. 4]. Qualunque sia il valore della resistenza di messa a terra, applicando ancora il metodo delle componenti simmetriche, la corrente di guasto monofase a terra è data da: 3U N I G = -----------------------------------------------Z 1 + Z 2 + Z 0 + 3Z G 15) dove UN = Tensione nominale della rete; ZG = Reattanza nominale di messa a terra della rete di MT. Poiché le impedenze di sequenza diretta, inversa e omopolare Z1, Z2, Z0 sono di solito piccole rispetto a ZG, per verifiche rapide si può ricorrere alla espressione approssimata: UN ⁄ 3 I G = -----------------ZG 16) Per es., per una rete a 6 kV, messa a terra attraverso una resistenza sul neutro di 40 Ω, si avrebbe una corrente approssimata di guasto di: 6000 I G = ------------------ = 86 A 3 ⋅ 40 17) L’impianto di terra viene dimensionato per la maggiore tra le correnti di guasto monofase a terra sulla MT e sulla BT. Se il neutro e le masse in media tensione sono collegate alla stessa rete di terra magliata, si può assumere che l’insieme sia sufficientemente equipotenziale, Fig. 11. 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. Se però il neutro e le masse sono collegate a reti di terra lontane e distinte, anche se fra loro interconnesse, la situazione si presenta come nelle Fig. 12a) e 12b) [bibl. 16]. Questo può succedere quando lo stabilimento industriale comprende gruppi di impianti satelliti discretamente lontani fra loro, con propria rete di terra interconnessa alla rete di terra principale, con conduttori di terra di interconnessione (AB in Fig. 12a). In sede di progetto si tratta di dimensionare tali conduttori in modo tale da evitare situazioni di pericolo. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 24 di 80 Con riferimento alla Fig. 12a se la caduta di tensione Ui = Zi · IG sul conduttore AB al passaggio della corrente di guasto IG, è inferiore ai limiti del par. 2.1.04 della Norma CEI 11-8, aumentati del 20% ed eventualmente dell’80%, non è necessario fare la verifica delle tensioni di contatto nell’impianto di terra satellite interconnesso, perché sono sicuramente inferiori ai valori ammessi. Se invece la tensione Ui è superiore ai valori suddetti, tale verifica è necessaria. Se il conduttore in rame è installato in tubo protettivo di materiale non ferromagnetico l’impedenza ZI del conduttore di ritorno può essere calcolata con la formula seguente: 2 18) Zi = d 2 µ0 1 2 2 R i + ω ------ --- + ln --- ⋅ L 4 2π r dove: Ri = resistenza del conduttore in ohm; r = raggio della sezione del conduttore in metri; d = distanza del conduttore di protezione dai conduttori di fase in metri; L = lunghezza del conduttore in metri; µ0 = permeabilità dell’aria = 4 π · 10–7 H/m. Fig. 11 Il neutro e le masse in media tensione sono collegate ad una unica rete di terra magliata LEGENDA a Massa in media tensione ZG = Reattanza di messa a terra della rete di MT 6 kV a ZG GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 25 di 80 Fig. 12a Schema equivalente del circuito di guasto LEGENDA ZG = Reattanza di messa a terra della rete di MT Zi = Impedenza del conduttore di ritorno 6 kV M ZG A Fig. 12b B Zi Schema equivalente del circuito di guasto LEGENDA RA RB Zi IG IT = = = = = Resistenza di terra della rete principale Resistenza di terra della rete satellite Impedenza del conduttore di ritorno Corrente di guasto a terra Corrente nell’impianto di terra satellite IG M ZG Zi B A IT RA GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 26 di 80 RB L’installazione del conduttore di ritorno in un tubo protettivo di materiale ferromagnetico è sconsigliata, a causa dell’elevato valore della reattanza. Si è supposto fin qui che tutta la corrente di guasto IG passi nel conduttore AB, e che questo sia isolato dal terreno. In realtà una parte della corrente IG ritorna alla sorgente attraverso il terreno e la somma delle due resistenze di terra RB dell’impianto satellite e RA dell’impianto principale come indicato in Fig. 12b. Solo la parte IG – IT della corrente di guasto percorre il conduttore AB di impedenza Zi. Una volta che RA e RB siano note, il partitore di corrente costituito dalla impedenza Zi in parallelo con RA + RB permette di trovare la corrente IT che interessa l’impianto di terra satellite di resistenza RB e quindi anche la corrente IG – IT che percorre realmente il conduttore. Si ha: 19) Zi I T = I G ------------------------------Zi + RA + RB Se il collegamento di impedenza Zi non è isolato, ma è costituito da un conduttore nudo interrato, che a sua volta disperde corrente nel terreno, il ragionamento sarà ancora valido ma più cautelativo. Se poi i satelliti fossero più d’uno, e tutti tra loro interconnessi, il ragionamento si complicherebbe ancora, ma allora ci si avvicinerebbe sempre di più ad una configurazione prossima a quella costituita da una unica rete di terra generale, soprattutto quando si consideri la presenza dei dispersori naturali o di fatto, come tubazioni, binari, schermi dei cavi, armature del cemento armato delle fondazioni ecc., elementi tutti che, in aggiunta ai dispersori intenzionali, concorrono a formare una unica rete di terra. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 27 di 80 4 COLLEGAMENTO DEL NEUTRO DELLA BT ALL’IMPIANTO GENERALE DI TERRA DELLE INSTALLAZIONI ALIMENTATE IN MT E AT CAPITOLO La Norma CEI 11-8 sugli impianti di terra prescrive, al par. 2.1.01, che nelle officine elettriche e negli impianti utilizzatori con tensione > di 1 kV, l’impianto di terra debba essere unico. A questo impianto di terra sono quindi collegate tutte le masse e le masse estranee sia dell’AT, che della MT e della BT. Ma sono ammesse delle deroghe, come precisato al successivo par. 2.1.02, per la messa a terra del neutro della BT, quando la distribuzione in BT si estenda all’esterno della periferia dell’impianto di terra unico. Si consideri il caso di uno stabilimento industriale, cioè di un utilizzatore con officina elettrica di alimentazione in AT o MT. I casi possibili sono due: a) il dispersore di terra della cabina di trasformazione AT/MT/BT e il dispersore di terra dello stabilimento sono collegati in modo da formare un unico dispersore. Si ha in tal caso un sistema TN, nella configurazione TN-S Fig. 13a), e tutte le masse – comprese le guaine dei cavi – e le masse estranee, sia della cabina sia dello stabilimento indicate nel par. 413.1.2.1 della Norma CEI 64-8, ed anche il neutro della BT, sono messe a terra sul dispersore unico. Per guasto sulla BT, l’impianto di terra deve soddisfare la Norma CEI 64-8/4 par. 413.1.3. Per guasto sull’AT e MT deve soddisfare la Norma CEI 11-8, fasc. 1285, par. 2.1.04, il quale indica i limiti che tensioni di contatto e di passo non devono superare né nello stabilimento, né all’esterno di questo. All’atto della verifica, pertanto, le misure delle tensioni di contatto e di passo devono essere estese anche allo stabilimento, soprattutto nei punti che possono essere più critici, come in periferia, nei depositi all’aperto, ecc. I controlli devono inoltre essere estesi alle tensioni trasferite da tubazioni, binari ed altri, come indicato nella Norma CEI 11-8, e come trattato anche in questa Guida più oltre al Cap. 6. Il criterio è lo stesso sia che l’impianto industriale sia alimentato in AT sia che sia alimentato in MT. Cambiano solo le correnti e di conseguenza le difficoltà a restare dentro i limiti ammessi per le tensioni di contatto. Nella configurazione TN-C, come da Fig. 13b), le masse della BT dello stabilimento sono ancora messe a terra sul dispersore unico, ma attraverso il conduttore comune di neutro e di protezione detto PEN. I due schemi sono elettricamente equivalenti; salve le prescrizioni sull’uso del conduttore PEN contenute nello Norme 64-8, par. 546.2 e tenendo presente che il collegamento PEN è vietato dalla Norma CEI 64-2. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 28 di 80 Fig. 13 Fig. 13a Impianto di terra unico Sistema TN-S LEGENDA a b Cabina MT/BT Stabilimento a b 1 2 3 N PE Fig. 13b Sistema TN-C LEGENDA a b Cabina MT/BT Stabilimento a b 1 2 3 PEN GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 29 di 80 b) Il dispersore di terra della cabina di trasformazione e il dispersore di terra dello stabilimento sono separati. Le masse della cabina di trasformazione, relative sia alla AT che alla MT e alla BT, sono messe a terra sulla terra della cabina; le masse dello stabilimento sono messe a terra sulla terra dello stabilimento, Fig. 14a) e 14b). Per la messa a terra del neutro dell’avvolgimento BT del trasformatore, il discorso diventa un po’ più complesso. In effetti, la separazione delle messe a terra di cabina e di stabilimento è possibile solo se i due impianti sono molto distanti tra loro. Se il neutro della BT fosse messo a terra in cabina AT/MT/BT/, trasferirebbe nello stabilimento la tensione totale di terra della cabina, in caso di guasto sulla AT/MT in cabina, in maniera non dissimile da quando avviene per le tensioni trasferite. Questa tensione si ritroverebbe sul conduttore di neutro in stabilimento, come sopraelevazione di tensione del centro stella della BT rispetto alle masse dello stabilimento. Se questa tensione fosse rilevante, sommata alla tensione di fase del sistema, potrebbe produrre una scarica verso terra nell’impianto utilizzatore in BT. La Norma CEI 11-8 si è preoccupata di porre dei limiti a questa sovratensione, specificando che nel sistema TT è consentita la messa a terra del neutro della BT in cabina, solo se la tensione totale di terra della cabina per guasto sulla MT e AT non supera 250 V (Fig. 14a). Se questo valore è superato, la messa a terra del neutro della BT deve essere fatta all’esterno del perimetro della terra della cabina AT/MT/BT. Per es. in questo caso, può essere fatta sulla terra dello stabilimento formando così di nuovo, all’interno di questo, un sistema TN (Fig. 13b). Il valore di 250 V è stato scelto in modo da garantire l’isolamento dell’impianto utilizzatore BT. Infatti se si somma la massima tensione totale di terra che può assumere il neutro della BT (250 V) alla tensione di fase (~ 250 V), tramite un coefficiente di sicurezza 2, si arriva a 1000 V, che è la tenuta dell’isolamento a frequenza industriale che ci si può attendere in apparecchiature anche obsolete in bassa tensione, quando sia stata provata da nuova a 2000 V. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 30 di 80 Fig. 14 Fig. 14a Impianti di terra di cabina e di stabilimento separati Sistema TT LEGENDA a b Cabina MT/BT Stabilimento a b 1 2 3 N PE VT < 250 V Fig. 14b Sistema TN LEGENDA a b Cabina MT/BT Stabilimento a b 1 2 3 PEN VT > 250 V GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 31 di 80 Per contro, se il neutro della BT è messo a terra nello stabilimento, perché la tensione totale di terra della cabina è > 250 V, bisognerà verificare che l’avvolgimento BT del trasformatore e tutti i componenti della BT nella cabina soddisfino alla stessa relazione: U p > 500 + U T + U O 20) (CEI 11-8 par. 2.1.2) dove: Up = tensione di prova verso terra per un minuto a frequenza industriale della BT; UT = tensione totale di terra della cabina; Uo = tensione nominale verso terra della BT. Naturalmente, se i due dispersori di cabina e di stabilimento sono separati, bisogna fare attenzione che non vengano poi collegati da altri conduttori metallici, come guaine di cavi, tubazioni, passerelle, binari ecc. Tutti questi conduttori di fatto vanno interrotti, e l’interruzione deve essere garantita nel tempo, ferma restando la prescrizione generale che, per guasto sulla MT, non devono verificarsi in nessun punto dello stabilimento tensioni di contatto e di passo superiori alla soglia ammessa. In realtà come già detto, la separazione dei due dispersori in uno stabilimento con cabina propria alimentata in MT, data la bassa corrente di guasto a terra nelle reti a MT con neutro isolato, potrebbe essere solo giustificata in casi particolari. Il problema però può presentarsi in maniera più perentoria se l’alimentazione avviene in AT. Il caso più generale è quello rappresentato in Fig. 15. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 32 di 80 Cabina MT/BT con terra esterna, UT > 250 V sistema TT LEGENDA Cabina MT/BT Terra di cabina ~ 5D, ≥ 40 m b a b a Fig. 15 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 33 di 80 Se la UT di terra della cabina MT/BT supera 250 V, il neutro della BT deve essere messo a terra al di fuori della terra di cabina, ad una distanza tale che il neutro della BT non possa più estrarre dal terreno una tensione di terra > 250 V per guasto nella cabina MT/BT. A titolo orientativo questa distanza può essere stimata ≅ 5 D, dove D è la dimensione lineare massima, cioè il diametro o la diagonale massima della rete di terra della cabina MT/BT (od ev. della stazione AT/MT/BT) con un minimo di ≅ 40m. In linea di massima sarebbe opportuno evitare che linee in BT escano direttamente da stazioni o da stabilimenti industriali. È chiaro infatti che con le correnti di guasto di una rete con neutro a terra, come appunto nell’AT, la tensione di terra è quasi sempre > 250 V. Ma se le linee in BT dovessero uscire dall’ambito della rete locale, per es. per alimentare un carico esterno isolato, come potrebbe essere una stazione pompe, una foresteria ecc., tale carico va alimentato attraverso un trasformatore di isolamento, rapporto 1:1, isolato tra primario e secondario, e verso terra, per una tensione di prova Up a frequenza industriale per 1 min, risultante dalla relazione già ricordata: Up > UT + UO + 500 dove: UT = tensione di terra massima dell’impianto di terra; UO = tensione nominale verso terra di BT. In alternativa può essere isolato con isolamento maggiorato tutto il carico esterno alimentato da quella linea; va adottata di volta in volta la soluzione economicamente più conveniente, tenuto conto o meno dell’opportunità di impiegare equipaggiamento in BT in esecuzione normale. Tutte le volte che il neutro della BT è messo a terra all’esterno della rete di terra della stazione o dell’impianto industriale in questione, il livello di isolamento dei componenti della rete in BT all’interno dell’impianto deve essere a sua volta isolato, conformemente alla Norma CEI 11-8, par. 2.1.02, secondo la relazione 19). Ciò è diretta conseguenza del fatto che le masse dei componenti di BT all’interno di uno stabilimento industriale, o stazione, sono messi a terra sulla terra locale, mentre il neutro della BT è a terra all’esterno, quindi a potenziale zero o prossimo allo zero. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 34 di 80 5 TENSIONI TRASFERITE ALL’ESTERNO DELL’IMPIANTO DI TERRA CAPITOLO 5.1 Generalità Le differenze di tensioni 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, o da componenti del circuito elettrico che siano messi a terra localmente e che si estendano all’esterno del perimetro dell’impianto di terra. Tali componenti possono essere guaine di cavi o funi di guardia, come si è già visto, quando siano collegate alla terra locale; le masse estranee, invece, possono essere tubazioni di vario genere, binari ecc. La Norma CEI 11-8 elenca i seguenti provvedimenti per evitare tensioni di contatto pericolose dovute a tensioni trasferite: n separazione, cioè interruzione della continuità metallica; n aumento della resistività superficiale del terreno nella zona circostante, cioè ricopertura del terreno con uno strato di pietrisco di almeno 10 cm di spessore oppure 5 cm di asfalto, oppure uno strato di asfalto steso su di una adeguata base di pietrisco, oppure un manto di materiale isolante quale plastica o gomma di 2,5 mm di spessore, oppure una pedana isolante equivalente, non igroscopica. La zona isolata sarà estesa quanto basta perché non sia possibile toccare le masse pericolose da una posizione esterna alla zona isolata; con riferimento all’uomo, una distanza di 1,25 m è ritenuta sufficiente; n 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 m, estendentesi 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; n segregazione, cioè protezione della zona pericolosa con barriere o parapetti che impediscano l’accesso alla zona stessa. Come distanza minima tra le barriere-parapetti e le masse si considera sempre 1,25 m (uomo col braccio proteso). Queste barriere-parapetti devono sempre portare cartelli monitori. L’accesso a tali aree può essere consentito solo a personale addestrato. 5.2 Funi di guardia Del funzionamento delle funi di guardia come circuiti di ritorno si è già parlato al cap. 3. Risulta evidente che 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, cioè il centro stella del trasformatore di rete, alleggerendo d’altrettanto il dispersore di stazione nel suo compito di rispettare i valori ammissibili per le tensioni di contatto. Dove questo collegamento è possibile, il contributo delle funi di guardia può essere considerato nel progetto dell’impianto di terra dello stabilimento industriale. Questo coinvolgimento delle funi di guardia nel ritorno della corrente di guasto a terra comporta ovviamente anche l’obbligo, come previsto espressamente dalla Norma CEI 11-8, par. 2.1.04, di controllare la sicurezza dei primi pali delle linee entranti nella stazione, nei riguardi delle tensioni di contatto. Vale a dire che la verifica per le tensioni di contatto deve essere estesa ai primi pali fuori della stazione o impianto industriale. La messa a terra dei primi sostegni dovrebbe essere adeguatamente incrementata, se ad una verifica le tensioni di contatto risultano fuori dei limiti. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 35 di 80 In alternativa potrebbe essere adottato qualcuno dei provvedimenti elencati al par. 5.1 precedente comportanti tutti impegni economici molto ridotti. Un altro rimedio potrebbe essere quello di isolare la fune di guardia sul sostegno in difficoltà, trasferendo il problema ma attenuato, sui pali più lontani; rimedio più laborioso, se non previsto fin dall’inizio in sede di costruzione della linea. Comunque sia, lo scopo dichiarato di un collegamento totale di tutti gli impianti di terra della rete si può assimilare ad una prestazione di mutuo soccorso: ogni guasto a terra in un punto qualsiasi della rete si ripercuote su tutti gli elementi della rete, ma con intensità minore e facilmente controllabile. Se l’arco a terra nella stazione coinvolge anche i primi sostegni delle linee, facenti capo alla stazione o allo stabilimento industriale, è anche vero che gli stessi sostegni, quando interessati a loro volta da una scarica a terra, si possono avvantaggiare della vicinanza di un impianto di terra di resistenza inferiore d’un ordine di grandezza a quello del sostegno stesso e questo non solo per fulminazione diretta del sostegno, ma anche per la fulminazione molto più frequente della linea, che attraverso le funi di guardia si propaga a tutta la linea stessa [bibl. 14, 15]. 5.3 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, come previsto dalla Norma CEI 11-8 par. 2.1.06. Se invece, per qualche motivo, per es. una protezione catodica nell’impianto, 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 ivi interrotti saranno adeguatamente protetti: per es. una guaina metallica sarà messa a terra, e l’altra isolata per la tensione di terra della corrispondente cabina. Adeguati provvedimenti dovranno essere presi per tutelare la sicurezza del personale durante i lavori di manutenzione. 5.4 Masse estranee Qui di seguito si danno alcuni esempi di masse estranee e dei relativi rimedi contro le tensioni trasferite. n Tubazioni metalliche fuori terra: se la tubazione è appoggiata su sellette, una possibilità di separazione e isolamento è rappresentata in Fig. 16. 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 appena un po’ conduttrice, il tratto di tubazione compreso fra le flange isolanti è a sua volta provvisto di un isolamento interno ottenuto con bitumazione o vernice adeguata, onde impedire che il fluido anche parzialmente conduttore cortocircuiti le flange isolanti. Per il resto il trasferimento di tensione avviene attraverso il tubo metallico, non attraverso l’acqua. La resistività dell’acqua dell’acquedotto è circa 20 ÷ 25 Ω · m, vale a dire 20 M Ω · mm2/m contro una resistività del ferro di 0,2 Ω · mm2/m cioè la resistività dell’acqua è 108 volte maggiore di quella del ferro. Rispetto a questo l’acqua quindi è praticamente un isolante; il valore di ρ = 25 Ω · m è all’in- GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 36 di 80 n n n circa quello di un terreno torboso o acquitrinoso. L’acqua è tanto meno conduttrice quanto più è povera di minerali; quella di ghiacciaio è assai meno conduttrice dell’acqua dell’acquedotto; l’acqua distillata, come la neve appena caduta, è isolante. Tubazioni metalliche interrate: l’interruzione si può fare come da Fig. 17. L’inserzione del tratto isolante si fa di solito subito fuori della 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 elevata, sarà forse necessario ripetere l’interruzione per un’altra decina di metri un po’ più a valle. Al giorno d’oggi però è frequente l’impiego di tubazioni isolanti, per cui tutto il tratto dell’approvvigionamento idrico potrebbe convenientemente essere fatto in tubazione isolante. Anche tubazioni che non entrano nell’impianto industriale, o nella stazione, ma che transitano in prossimità di queste, come menziona la Norma CEI 11-8, possono raccogliere tensioni considerevoli, e dovranno quindi essere interrotte nello stesso modo. Binari ferroviari di servizio: come masse estranee, saranno messi a terra sull’impianto, e pertanto saranno interrotti 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, Fig. 18. Quanto sopra vale per trazione non elettrica; se la trazione è elettrica, opportuni accordi devono essere presi con l’Ente Ferroviario. Recinzioni metalliche interne od esterne: all’interno di un dispersore superficiale esteso, quale può essere una rete magliata interrata, difficilmente si potrann o riscontrare delle tensioni di contatto superiore ai valori ammessi, perché un dispersore siffatto, soprattutto se integrato dai dispersori naturali (ausiliari) quali fondazioni in cemento armato ecc., garantisce una buona equipotenzialità. Ma punti critici possono invece trovarsi alla periferia della rete, in particolare nelle recinzioni, se metalliche, sulle porte delle cabine in muratura, sempre se metalliche, e sui cancelli. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 37 di 80 Fig. 16 Separazione su tubazione fuori terra LEGENDA Periferia della rete di terra Flange isolanti Selle isolate da terra Isolamento interno a c b d a b c d GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 38 di 80 Interruzione dell’acquedotto con un tratto di materiale isolante LEGENDA Recinzione Rete di terra Acquedotto Tratto in materiale isolante, ~ 10 m Picchetto periferico d c e b a b c d e a Fig. 17 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 39 di 80 Fig. 18 Interruzione continuità elettrica delle rotaie LEGENDA a b c d e Piastra di fissaggio Spessore isolante (Bachelite, Fibra o altro materiale duro) spess. ≅ 10 mm profilo uguale alla rotaia Traversine fissaggio e supporto rotaie Piastre isolanti (es. Bachelite) Canotto isolante b a c d e GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 40 di 80 Le raccomandazioni si possono così riassumere: Per cabine, o stazioni o in generale impianti all’aperto, le soluzioni suggerite sono: n recinzioni esterne in materiale non conduttore, cioè muratura o plastica, o ferro plastificato o cemento prefabbricato, anche se armato; n controllo del gradiente con un dispersore supplementare cioè un conduttore interrato esternamente lungo tutta la parete esterna della recinzione, alla profondità di circa 0,5 m, a 1 m all’esterno della parete, con collegamento alla terra locale opzionale. Si dovrà cioè decidere caso per caso se è opportuno collegarlo o no. In generale l’esperienza suggerisce di collegarlo, se la recinzione esterna corre così vicina al dispersore locale a maglie, che ogni separazione galvanica sarebbe illusoria. Se invece la recinzione esterna è abbastanza lontana dalla periferia della maglia, converrà tenerlo separato (Fig. 19). In ogni caso converrà anche evitare la continuità metallica tra i vari pannelli metallici della recinzione, interponendo pilastrini in materiale non conduttore. Particolare attenzione deve essere posta al cancello. Se questo ricade nell’ambito della rete di terra locale e la recinzione nella quale il cancello è inserito è collegata alla terra locale, allora sarà sufficiente proteggere la zona di ingresso con un isolamento superficiale maggiorato (asfalto ecc.). Se invece il cancello è lontano dalla rete di terra locale, ed è per di più alimentato elettricamente (apriporta, citofono, illuminazione ecc.) allora può essere necessario anche ricorrere ad un trasformatore di isolamento per l’alimentazione elettrica del cancello (Fig. 20), perché il cancello in questo caso è messo a terra sul dispersore separato della recinzione esterna; n isolamento superficiale con pietrisco o asfalto di tutta la zona lungo la recinzione, come si vedrà in dettaglio al par. 9.7.2. Se l’impianto industriale o la stazione elettrica è alimentata in AT con neutro a terra, una verifica mediante misura delle tensioni di contatto in periferia, e in particolare lungo la recinzione esterna, è sempre opportuna. Le recinzioni metalliche interne alla rete di terra principale, se non sono supporto di componenti elettrici, possono non essere messe a terra, come precisato in 9.7. Se questa condizione non può essere esclusa, saranno messe a terra sulla rete locale, come tutte le altre masse. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 41 di 80 Fig. 19 Cancello elettrico interno alla terra di stazione LEGENDA d Area asfaltata Recinzione in muratura Eventuale corda di terra – separata – per la messa a terra della recinzione metallica Recinzione metallica Rete di terra di stazione e a b c a b c d e GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 42 di 80 Cancello elettrico esterno alla terra di stazione LEGENDA a e d Area asfaltata Armadio manovra cancello Alimentazione con trafo d’isol. rapp. 1/1 Vp = 10 kV Eventuale corda di terra – separata – per la messa a terra della recinzione metallica Recinzione metallica c a b c d e b Fig. 20 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 43 di 80 6 INTERFERENZE TRA IMPIANTO DI TERRA E STRUTTURE METALLICHE ESTERNE CAPITOLO 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 tubazione metallica (acquedotto, oleodotto, gasdotto ecc.), che lungo il suo tracciato si trovi a passare in prossimità di un dispersore, ne attraversa la sua zona di influenza cioè quella zona del terreno che viene messa in tensione dal dispersore in caso di guasto a terra. Poiché la tubazione stessa, supposta di lunghezza infinita, è a potenziale zero, tra di essa e il terreno circostante si viene a creare una differenza di potenziale, e quindi una tensione di contatto, che può arrivare ad una parte rilevante della tensione totale di terra. Se queste tensioni di contatto, o di passo, superano i valori ammessi, bisognerà ricorrere ai rimedi già descritti, cioè inserzioni di giunti o tratti isolanti nelle tubazioni. Le modalità di esecuzione di tali interventi saranno concordate tra i gestori rispettivamente dell’impianto elettrico e della tubazione. Un problema analogo può sorgere in una ferrovia che transiti in prossimità del dispersore. Il provvedimento di interrompere la continuità metallica dei binari con degli inserti isolati, non può evidentemente essere preso se la ferrovia è elettrificata. Nei passaggi a livello il rimedio di elezione sarà l’aumento della resistività superficiale. Per il resto la comune massicciata ferroviaria in pietrisco spezzato dà buone garanzie di isolamento lungo tutto il tracciato. Un caso particolare può essere quello di recinzioni o ringhiere estranee all’impianto, ma poste entro la sua zona di influenza, in direzione radiale, come indicato nelle Figg. 21 e 22 [bibl. 17, 18]. La continuità metallica della ringhiera fa sì che tutti e tre i paletti di Fig. 21 siano alla stessa tensione, quindi la corrente drenata dal paletto più interno sarà scaricata nel terreno dal paletto più esterno. In Fig. 22 la ringhiera è lunga quanto basta a portarla fuori della zona di influenza dell’impianto dispersore, quindi a potenziale zero. La tensione di contatto sul primo paletto, sarà prossima alla tensione totale di terra. Il rimedio di questi casi potrebbe essere quello di interrompere per settori la continuità metallica con paletti o mancorrenti in materiale isolante e la ricopertura di tutta la ringhiera con strati protettivi isolanti (pittura o plasticatura). GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 44 di 80 Fig. 21 Strutture comprendenti una recinzione metallica sostenuta da paletti metallici interrati nella zona d’influenza di una maglia di terra; andamento della tensione UT% sul terreno a partire dal centro della maglia, nella direzione indicata, in percento della tensione totale di terra della maglia – Estensione totale della recinzione supposta pari a 40 m e sostenuta da tre paletti interrati GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 45 di 80 Fig. 22 7 Strutture comprendenti una recinzione metallica sostenuta da paletti metallici interrati nella zona d’influenza di una maglia di terra; andamento della tensione UT% sul terreno a partire dal centro della maglia, nella direzione indicata, in percento della tensione totale di terra della maglia – Recinzione che si estende anche al di fuori della zona di influenza della maglia PROPRIETÀ DIVERSE; INTERFACCIA CON IL DISTRIBUTORE PUBBLICO CAPITOLO Spesso lo stabilimento industriale e la rete di alimentazione appartengono a proprietà diverse. In questo caso i rapporti di interfaccia sono regolati da accordi tra le parti: in particolare se l’installazione industriale è alimentata dal Distributore Pubblico, questo chiederà all’Utente il rispetto delle sue normative usuali in casi del genere. Per quanto riguarda il dimensionamento del suo impianto di terra, l’Utente chiederà al D.P. il valore della corrente di guasto a terra della rete di alimentazione e il tempo di eliminazione del guasto. Il cliente resta comunque esclusivo proprietario ed unico responsabile del predetto impianto di terra, anche per la manutenzione e l’esercizio futuri. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 46 di 80 8 IL DISPERSORE IN IMPIANTI DI II E III CATEGORIA CAPITOLO 8.1 Generalità La Norma CEI 11-8 definisce il dispersore e le parti come segue: n Dispersore: corpo metallico o complesso di corpi metallici, posto in contatto elettrico con il terreno e utilizzato intenzionalmente o di fatto, per disperdere correnti elettriche (in 1.2.06). La Norma distingue quindi tra dispersori intenzionali, installati per precipui motivi elettrici, e dispersori ausiliari, o di fatto, che possono essere utilizzati ad integrazione del dispersore intenzionale, al quale in tal caso devono essere collegati tramite conduttori di terra. Tipici dispersori ausiliari o di fatto possono essere le armature del cemento armato delle fondazioni, pali di fondazione, e tutti gli altri elementi metallici dello stabilimento in contatto elettrico con il terreno, elencati nella Norma CEI 11-8. Il contributo dei dispersori ausiliari di fondazione alla riduzione della resistenza totale di terra può essere determinante. Le modalità di collegamento dei ferri di armatura sono indicate dettagliatamente nella Guida CEI 64-12. Per i dispersori ausiliari o di fatto, non si applicano naturalmente né le dimensioni minime di cui in 8.3, né il dimensionamento termico dell’Appendice B della Norma CEI 11-8. Nell’ambito di uno stabilimento è opportuno che i singoli dispersori dei vari impianti vengano collegati fra di loro a mezzo di conduttori di terra in modo da realizzare in pratica 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. 8.2 Dispersore magliato, o a griglia Il dispersore è costituito essenzialmente da una griglia interrata alla profondità di 50 cm ÷ 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 chimica ed elettrochimica. In terreni corrosivi, in presenza di composti ammoniacali, cioè basici, può essere opportuno l’impiego di rame stagnato, o ricoperto di piombo, o di acciaio zincato a caldo, a seconda della convenienza tecnico-economica. 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 vuote di masse. Non è detto che le maglie debbano essere quadrate, anzi è dimostrato che la disposizione migliore nei riguardi della tensione di contatto è quella rettangolare, a parità di lunghezza di conduttore interrato, come si vedrà più in dettaglio al par. 9.1. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 47 di 80 Resistenza del dispersore a griglia [bibl. 8, 14] 8.3 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: ρ π R G = --- --4 A 21) dove: ρ = 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. Poiché in tal caso, detto D il diametro del cerchio equivalente, 2 πD A = ---------4 22) si ha che: ρ π⋅4 ρ R G = --- ----------2- = ------4 πD 2D 23) In alternativa a questa espressione si può usare l’espressione: 2ρ R G = -----p 24) dove p è il perimetro della rete di terra. Quest’ultima espressione è più cautelativa ma soprattutto è di valutazione più immediata. 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, come si vedrà in seguito. Resistenza del dispersore verticale, o picchetto [bibl. 8, 11] 8.4 La resistenza di un dispersore verticale di lunghezza L e di diametro d, infisso in un terreno di resistività ρ è data da: 25) GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 48 di 80 4L ρ R P = ------------ ln -------d 2πL Se il rapporto L/d è grande, e cioè > 100, come nel caso di un vero picchetto, la formula si può semplificare in ρ R P = --L 26) Nel caso invece, per es., di pali di fondazione sia trivellati che battuti, la semplificazione non è più valida, e bisogna ricorrere alla formula intera. I picchetti vengono talvolta impiegati a complemento del dispersore a griglia, infissi alla sua periferia, all’esterno del conduttore periferico, ed a questo collegati. 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, ed è quindi: RG ⋅ RP ⁄ n R TOT = ---------------------------RG + RP ⁄ n 27) Altri dispersori 8.5 La resistenza di terra di un conduttore orizzontale interrato e di lunghezza L è data da: 28) 2L ρ R L = ------ ln -----πL d dove d è il diametro del conduttore se in corda, oppure la metà della larghezza se in bandelle. La resistenza di terra di un dispersore ad anello è: 29) 2πD ρ - ln ----------R = --------2 d π D Dove: D è il diametro dell’anello e d come sopra [bibl. 8, 11, 13]. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 49 di 80 La resistività del terreno 8.6 La resistività del terreno ρ è un fattore comune a tutte le formule della resistenza di un dispersore. Il valore della resistività ρ − in Ω · m – varia sensibilmente con il tipo di terreno, la granulometria, la densità e l’umidità. Valori medi sono dati nella tabella seguente. Tab. 3 resistività ρ in Ω · m terreno 5 ÷ 40 20 ÷ 200 200 ÷ 2500 2000 ÷ 3000 fino a 50000 acquitrinoso, organico, umido humus, argilla sabbia, terreno alluvionale arenaria granito Nei riguardi dell’aumento della resistività superficiale del terreno riveste considerevole importanza la resistività ρ di strati di pietrisco dello spessore di 10 cm - 15 cm come da seguente tabella [bibl. 4 Cap. 10.5]. Tab. 4 pietrisco resistività ρ in Ω · m secca ghiaia pietrisco spezzato bagnata 6 1,22 · 10 18,3 · 106 8500 4200 Come si può notare, la differenza tra secco e bagnato è di diversi ordini di grandezza, anche se i valori restano elevati anche in condizioni umide. Date le evidenti incertezze nel valore reale della ρ del terreno, è opportuno raccogliere informazioni più dettagliate presso il D.P. ed altre istituzioni che possono già avere esperienze in argomento. Infine misure dirette della ρ del terreno possono essere fatte con il metodo descritto al cap. 12. Dimensionamento termico del dispersore a griglia 8.7 Una volta nota la corrente nel dispersore, come indicato al cap. 3, la sezione dei conduttori interrati viene calcolata con la formula del par. 2.2.07 della Norma CEI 11-8, basata sul riscaldamento dei conduttori, che qui si ripete (integrale di Joule, in forma finita): 1 2 A = --- I t K 30) dove: A = sezione in millimetri quadrati; I = corrente che percorre l’elemento del dispersore in Ampere; t = tempo di eliminazione del guasto in secondi; 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 50 di 80 La corrente di dimensionamento termico del dispersore è la corrente di guasto a terra IG, perché la suddivisione tra i vari circuiti di ritorno avviene più a valle, nei loro punti di connessione alla griglia stessa. Ma nel valutare la corrente che percorre il singolo conduttore interrato, si può tener conto della ripartizione della corrente di guasto nei diversi rami del dispersore: se il conduttore di terra è collegato con morsetto a un conduttore del dispersore che si estende in due direzioni, la corrente di guasto in ciascun conduttore del dispersore si riduce alla metà; se il conduttore di terra è connesso ad un nodo della griglia, si riduce ad un quarto. In ogni caso valgono le sezioni minime, con riguardo alla resistenza meccanica e alla corrosione, prescritte dall’Appendice B della Norma CEI 11-8 e della Norma CEI 64-8 Cap. 54. 8.8 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, come da par. 2.3.02 della Norma CEI 11-8. 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, e verrà desunta dalla Norma CEI 11-17 sulle linee in cavo. La corrente di dimensionamento è la corrente di guasto IG, ma se i conduttori di terra di una stessa massa sono più di uno, la IG si può considerare ripartita sui diversi conduttori. Nelle reti con neutro isolato è buona norma considerare la corrente di doppio guasto a terra, per le ragioni già dette al cap. 3.5. Si ripetono qui per comodità i valori di K e le dimensioni minime per conduttori di terra, prescritti dalla CEI Norma 11-8, par. 2.3.02: Rame K, temp. fin. = 200 °C A in mm2 159 16 Alluminio 105 35 Acciaio 58 50 Per i tratti di conduttori di terra nudi e interrati, valgono le sezioni minime dei dispersori. 9 DIMENSIONAMENTO ALLE TENSIONI DI CONTATTO E DI PASSO CAPITOLO 9.1 Determinazione delle UC 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. Sono state proposte in passato, e si possono trovare ancora adesso nella letteratura tecnica, delle relazioni più o meno empiriche risultanti da ricerche alla vasca elettrolitica per le UC e UP in un dispersore intenzionale a griglia, con maglie regolari, in terreno omogeneo [bibl. 19]. Attualmente l’andamento delle tensioni all’interno delle maglie può essere determinato con calcolatori, tramite adatti programmi. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 51 di 80 La tensione di contatto risulta dall’esplorazione della tensione di maglia nel punto situato 1 m dalla verticale sul conduttore interrato; la tensione di passo risulta dalla differenza tra due punti della curva della tensione di maglia, distanti tra loro di 1 m. I valori di solito sono dati in % della tensione di terra UT. Si dimostra [bibl. 2] 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 UC contano solo i conduttori paralleli in una sola direzione, avendo gli altri in direzione perpendicolare solo la funzione di connessione delle masse al dispersore. Per una griglia di 100 m × 50 m, con 10 conduttori paralleli interrati, la tensione di contatto in periferia è compresa tra il 10% e il 20% della tensione di terra, all’interno della griglia, e tra il 20% e il 25% all’esterno. Nelle maglie all’interno della griglia, i valori sono più bassi [bibl. 2]. Analoghe ricerche condotte all’elaboratore elettronico [bibl. 1, 6] relative a impianti di terra a griglia di stazioni AT, in terreno omogeneo, hanno condotto ai seguenti valori indicativi espressi in % della tensione totale di terra (UPE = tensioni di passo all’esterno del perimetro della griglia): UC: 5 ÷ 13 dall’interno alla periferia; UP: 1÷5 dall’interno alla periferia; UPE: 4÷8 all’esterno del perimetro. Picchetti di alcuni metri di lunghezza (per es. 4 m - 10 m) distribuiti all’esterno del perimetro della griglia all’incirca dimezzano la tensione di passo periferica UPE. Oggi il metodo più affidabile per il dimensionamento della rete di terra nei riguardi delle UC è certamente 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. 9.2 Rimedi, provvedimenti correttivi Qualora il calcolo o le misure sul posto mettessero in evidenza alcuni luoghi o punti nei quali la UC > UCA, dove la UCA sia la UC ammessa, si consiglia di ricorrere ai seguenti provvedimenti correttivi: n controllo locale del potenziale infittendo localmente le maglie del dispersore a griglia ove possibile; oppure, per esempio nei posti di lavoro o di manovra, disponendo una griglia supplementare metallica di equipotenzialità in superficie o ad una profondità < 0,5 m, estesa fino a ca. 1,25 m dalla massa relativa, naturalmente da collegare a questo elettrodo supplementare; quest’ultimo deve essere a sua volta collegato in più punti al dispersore principale; n aumento della resistività superficiale del terreno nella zona circostante il luogo critico, mediante ricopertura del terreno con pietrisco ecc. come detto al par. 5.1; oppure, per esempio nei posti di lavoro o di manovra, isolamento del luogo con pedane isolanti di dimensioni minime 1 m × 1 m. n segregazione, cioè protezione della zona pericolosa con barriere o parapetti che impediscano l’accesso alla zona pericolosa ad altri che non siano persone autorizzate e quindi adeguatamente equipaggiate. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 52 di 80 9.3 Schema a blocchi La sequenza delle operazioni da eseguire per il dimensionamento dell’impianto di terra nei riguardi delle tensioni di contatto, può essere condensata in uno schema a blocchi, o schema sequenziale, come riportato in Fig. 23. Sulla base dei dati fondamentali di partenza si elabora innanzi tutto un progetto base. I dati fondamentali di partenza sono: n la corrente di guasto IG; n il tempo di durata del guasto tG; n la resistività presunta o misurata del terreno ρ; n le dimensioni principali dell’installazione e la sua configurazione geometrica per quel che possa essere rilevante nei confronti dell’impianto di terra; n lo schema elettrico dell’alimentazione e della distribuzione; n eventuali vincoli esterni, come ferrovie, tubazioni interrate e fuori terra, e altre masse estranee 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 par. 8.7 e 8.8. Sulla base dello schema elettrico di alimentazione, e cioè: autoproduzione, centrostella 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 IT. Con queste premesse si può calcolare in via preliminare la resistenza di terra presunta RT dell’impianto, e la sua tensione di terra UT: UT = IT ⋅ RT Quindi si procede nelle sequenze dello schema a blocchi. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 53 di 80 Fig. 23 Schema a blocchi per le tensioni di contatto UCA = UC ammissibile secondo 2.1.04 della Norma CEI 11-8 Dati partenza IG, tG, ρ Progetto base Calcolo RT, UT UT ≤ 1,2 Uca secondo 2.1.09 CEI 11-8 SI NO UT ≤ 1,8 Uca secondo 2.1.04 CEI 11-8 SI NO Calcolo Uc Abachi o programma di calcolo par. 9.1 della Guida NO Uc ≤ Uca SI Controllo tensioni trasferite Uc ≤ Uca SI Verifiche e misure sul posto NO Uc ≤ Uca SI Progetto corretto GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 54 di 80 NO Provvedimento supplementare par. 9.2 della Guida Provvedimento supplementare par. 5.1 della Guida 9.4 Esecuzione dell’impianto di terra 9.4.1 Dispersore Per la messa a terra di un edificio, il dispersore orizzontale ad anello od a griglia viene posato abitualmente a livello delle fondazioni. In terreno aperto, il dispersore orizzontale viene posato in uno scavo profondo da 50 cm a 80 cm come detto al par. 8.2. Il conduttore orizzontale a griglia non deve essere esposto a sollecitazioni meccaniche, quali trazione o compressione. Se il terreno di posa è ghiaioso o pietroso, si raccomanda di posare il conduttore su di un letto di terriccio e di ricoprirlo per un certo spessore adeguato dello stesso terriccio. 9.4.2 Conduttore di terra Il percorso del conduttore di terra deve essere il più breve possibile. Quando il conduttore di terra sia nudo nella parte di percorso fuori terra, se è esposto a danneggiamenti meccanici, può essere protetto con un tubo protettivo di plastica dura, oppure può essere impiegato cavo isolato. 9.4.3 Giunzioni Le giunzioni, sia del dispersore sia del conduttore di terra, devono essere scelte in modo che la resistenza meccanica e il riscaldamento per effetto della corrente non siano rispettivamente inferiore e superiore a quelli del conduttore. Deve inoltre essere accertata la loro rispondenza alle caratteristiche elettriche e meccaniche richieste e deve essere verificato che la messa in opera segua le istruzioni del costruttore. 9.5 Protezione contro la corrosione Il dispersore e il conduttore di terra non devono dar luogo a coppie elettrolitiche (vedere anche la Norma CEI 64-12, App. C). La scala galvanica dei metalli, riferita all’elettrodo d’idrogeno, è la seguente (limitata ai metalli impiegati in elettrotecnica [bibl. 21]): Metallo Litio Sodio Magnesio Alluminio Manganese Zinco Cromo Ferro Cadmio Nickel Stagno Piombo Potenziale elettrochimico, in V – – – – – – – – – – – – 3,02 2,72 1,80 1,45 1,10 0,77 0,56 0,43 0,42 0,20 0,14 0,13 + + + + + + 0,2 0,35 0,80 0,86 0,87 1,5 Idrogeno 0,0 Antimonio Rame Argento Mercurio Platino Oro GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 55 di 80 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, per esempio, l’accoppiamento diretto rame-alluminio e rame-zinco, e a tal uopo 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. Quando nell’impianto industriale siano previste protezioni catodiche, le corrispondenti Norme UNI e UNI CEI devono essere rispettate. 9.6 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 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. I problemi relativi alle interferenze rientrano nel quadro più generale della Compatibilità Elettromagnetica, per la quale si rimanda alle Norme dell’apposito CT 210. Ma nella misura in cui 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 si limiterà in questa sede a considerare i provvedimenti 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 essere onerosi se dovessero rendersi necessari come interventi successivi. I principali provvedimenti sono i seguenti: n percorsi dei conduttori di terra i più corti possibili; n infittire le maglie del dispersore a griglia in corrispondenza delle aree più esposte ai transitori di corrente, in particolare scaricatori, riduttori di corrente e di tensione, sezionatori; n aumentare il numero dei conduttori di terra di una stessa massa, opportunamente distanziati tra loro, allo scopo di ridurre l’impedenza del collegamento. Ad esempio, due conduttori di terra da 63 mm2 distanziati tra loro di ca. 0,5 m hanno minore impedenza di un conduttore unico da 120 mm2 o di due conduttori da 63 mm2 fasciati insieme; n fare in modo che i conduttori interrati della griglia siano posati parallelamente e il più vicino 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; n collegare all’impianto di terra le armature del cemento armato in più punti, al fine di sfruttarne l’effetto schermante. Tutti questi provvedimenti sono ancora più significativi nel caso di stazioni blindate isolate in SF6, escluse dall’oggetto della presente Guida, per le quali si rimanda alle apposite specifiche del costruttore. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 56 di 80 9.7 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’ausilio di appositi utensili. Per entrambi i criteri condizione indispensabile è che la continuità metallica sia sempre assicurata. Come esempio del primo criterio si può fare riferimento ad un portale a traliccio per supporto di apparecchiature elettriche o ammarro di conduttori. Evidentemente non si metteranno a terra individualmente tutte le aste del traliccio, bensì la struttura nel suo insieme verrà messa a terra alla sua base, in quanto tutte le tralicciature dei sostegni e della trave sono tra loro connesse saldamente a mezzo di bulloni o saldature. Il portale viene messo a terra alla base dei sostegni una sola volta per sostegno, salvo il dimensionamento alla corrente del conduttore di terra, come specificato al capitolo precedente. Se l’equipaggiamento elettrico è supportato da una struttura a cavalletto, la base metallica dell’apparecchiatura o dell’involucro o della carcassa 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 delle Norme CEI 11-8 (par. 1.2.02) e 64-8. Questo non significa che non si possa mettere a terra entrambi, è soltanto inutilmente oneroso. Gli scaricatori in Media e Alta Tensione possono essere messi a terra sul supporto, se metallico naturalmente, e questo viene poi messo a terra alla base. Però spesso gli scaricatori vengono messi a terra direttamente con un conduttore di terra apposito, per permettere l’inserzione di un contaimpulsi o di un amperometro per la misura della corrente di fuga; allora a rigore non è più necessaria la messa a terra del supporto. Ma se lo scaricatore è isolato dal supporto da piedini isolanti, per l’inserzione per es. di uno spinterometro immagine, allora anche il supporto deve essere messo a terra alla base. 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 (Fig. 24). 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. Parti metalliche che non siano né masse né masse estranee, possono, ma non devono, essere messe a terra. Per esempio una porta metallica inserita in una parete in muratura, se non porta né lampade né strumenti né altra apparecchiatura di segnalazione elettrica, non è una massa e non c’è bisogno che venga messa a terra; così anche telai metallici degli edifici, finestre, inferriate, griglie ecc. Recinzioni metalliche che delimitano aree all’interno di stabilimenti, ringhiere, corrimano, guard-rail, paletti metallici con cartelli indicatori, e qualsiasi altra 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 57 di 80 Queste considerazioni non sono contraddette dalla eventualità che si possa appendere ad una di queste parti metalliche una lampada portatile o un qualsiasi altro utensile elettrico, se questo è correttamente isolato in classe II. Fig. 24 Messa a terra di una barriera metallica di protezione LEGENDA Particolare collegamento alla rete di terra a a GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 58 di 80 9.8 Accessibilità, visibilità, ispezionabilità Per ispezioni e verifiche devono essere sempre disponibili la pianta generale dell’impianto di terra e i disegni di dettaglio dei conduttori e dei giunti, sia del dispersore che dei conduttori di terra, in modo da poter verificare sia la correttezza del dimensionamento termico, sia la tenuta alla corrosione. La parte fuori terra delle connessioni di terra è ispezionabile a vista. Per la parte interrata, ivi comprese le giunzioni tra elementi del dispersore e tra i conduttori di terra e il dispersore, fanno fede i disegni ed eventuale documentazione fotografica presa durante l’installazione. Anche per le connessioni tra dispersore a griglia e le teste dei picchetti supplementari, che spesso sono a profondità maggiori della griglia stessa, fanno fede i disegni di dettaglio. Se ci sono ragionevoli dubbi su possibile corrosione, dopo lungo tempo dall’installazione può essere opportuna un’indagine a campione scavando in corrispondenza di un giunto fino a scoprirlo onde verificarne lo stato di conservazione. Devono poter essere verificabili a vista i rimedi usati nei punti critici per ricondurre la tensione di contatto entro i limiti ammessi, quali controllo del gradiente, aumento della resistività superficiale, segregazione e interruzione della continuità dei corpi metallici fuori terra, contro le tensioni trasferite. Per le interruzioni delle tubazioni interrate fanno fede i disegni e le relative misure delle tensioni di contatto. Per le connessioni tra dispersore intenzionale e i ferri di armatura delle fondazioni in cemento armato, si rimanda alle indicazioni contenute nella guida CEI 64-12. Si raccomanda che l’esecuzione di tali connessioni nel corso dei lavori di installazione, sia concordata con un esperto di impianti elettrici. 10 DIMENSIONAMENTO ED ESECUZIONE DELL’IMPIANTO DI TERRA NELLA SEZIONE DI I CATEGORIA DI INSTALLAZIONE INDUSTRIALE CON PROPRIA CABINA DI TRASFORMAZIONE CAPITOLO 10.1 Dimensionamento termico di impianto di tipo TT Questa situazione si può presentare solo nel caso prospettato al cap. 4 B), dove i dispersori di cabina e di stabilimento sono separati, e quando si verifichi la condizione UT < 250 V, Fig. 14a). La corrente di terra IT che interessa il dispersore è tutta la corrente di guasto IG. Il dispersore viene dimensionato secondo la Norma CEI 64-8. 10.2 Dimensionamento termico di impianto di tipo TN In un impianto di tipo TN-C la corrente di guasto ritorna attraverso il conduttore PEN (CEI 64-8). 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 (ciò è abbastanza comune negli impianti di tipo civile ove solitamente esiste un solo collettore di terra dovuto al fatto che l’impianto si sviluppa prevalentemente in verticale), mentre se l’impianto è dotato di più collettori di terra (come è normale negli impianti industriali) anche i conduttori del dispersore magliato contribuiscono, e spesso in modo prevalente, al ritorno delle correnti di guasto. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 59 di 80 Non si hanno quindi situazioni di differenza di potenziale tra il dispersore e il terreno circostante e non si hanno quindi tensioni di passo. 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 par. 8.3: 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. La corrente di guasto in una rete radiale di BT si può calcolare con l’ausilio della “Guida d’applicazione per il calcolo delle correnti di cortocircuito nelle reti radiali di Bassa Tensione”, CEI 11-28, al par. 9.3 della quale è riportata la formula essenziale 3 ⋅ c ⋅ UN I″ K1 = -------------------------2Z 1 + Z 0 31) dove: I ″K1 = corrente di cortocircuito monofase a terra; c = fattore di tensione; per tensioni 230/400 V c = 1; UN = tensione nominale della rete; Z1 = impedenza diretta della rete nel punto del guasto; Z0 = impedenza omopolare della rete nel punto del guasto. Z1 e Z0 sono la somma delle impedenze dirette e omopolari di tutti i componenti del circuito del trasformatore al punto del guasto. A titolo d’esempio, e al fine di poter eseguire calcoli di verifica, si propone lo schema di un impianto di terra di tipo TN (Fig. 25) applicato ad un impianto industriale. Nell’esempio, in corrispondenza della cabina elettrica, i conduttori di terra, due per ciascun collettore, hanno una sezione di 95 mm2 e la stessa sezione è prevista per i conduttori del dispersore a griglia. Verifichiamo queste sezioni sulla base dell’art. 2.2.07 “Dimensionamento degli elementi del dispersore” della Norma CEI 11-8. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 60 di 80 MASSA ESTRANEA CALATA PER IMPIANTO PARAFULMINI QUADRO PRINCIPALE B.T ME C QE BARRA DI TERRA DEL QUADRO MOTORE PULSANTIERE SCATOLA DI DERIVAZIONE ARMATURA CENTRO LUMINOSO PRESA MONOFASE PRESA TRIFASE CONDOTTO SBARRE BTQ M Pu Sd CL PF PT CS QUADRO MOTORI CONDUTTORE EQUIPOTENZIALE SUPPLEMENTARE EQS TRASFORMATORE DI POTENZA CONDUTTORE EQUIPOTENZIALE PRINCIPALE EQP TR CONDUTTORE DI PROTEZIONE PE QM COLLETTORE DI TERRA CONDUTTORE PRINCIPALE DI PROTEZIONE PEp CONDUTTORE DI TERRA CT MT DISPERSORE MAGLIATO DA Descrizione DISPERSORE NATURALE Sigla DN ” ” ” ” METALLICA RAME NUDO METALLICA ””” ””” ””” RAME ISOL. P.V.C. RAME/ACC. INOX RAME ISOL. P.V.C. RAME NUDO — Materiale CONDUTTROE DI RAME ISOLATO IN PVC. G.V. CONDUTTORE DI RAME NUDO SOLAMENTE NEL CASO DI TUBAZIONE ISOLATA RISPETTO AL RACK. FASE + CONDUTTORE DI PROTEZIONE G.V. TRE FASI + CONDUTTORE DI PROTEZIONE GV. TRE FASI + NEUTRO + CONDUTTORE DI PROTEZIONE G.V. TRE FASI + NEUTRO. SIMBOLI: Note: 1 2 3 4 5 Fig. 25 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 61 di 80 Utilizzando la formula 30) (in 8.7), in cui I è la quota della corrente di guasto che percorre l’elemento considerato, t è il tempo in secondi di eliminazione del guasto, K è un coefficiente che per il rame nudo è uguale a 229; ponendo t = 1 s, A = 95 mm2 e risolvendo l’eguaglianza rispetto a I, si ottiene una corrente di 21755 A. Poiché, nell’ipotesi fatta, la corrente nel dispersore di divide in 2 parti uguali in corrispondenza dei conduttori di terra, possiamo dire che il dispersore magliato può portare 2 × 21755 = 43510 A per 1 s. Sia il valore di corrente, sia il tempo di eliminazione del guasto sono adeguati anche per trasformatori di distribuzione di notevole potenza (fino a 1250 kVA). Per quanto riguarda i conduttori di terra, il par. 2.3.02 della Norma CEI 11-8 suggerisce (per rame nudo) K = 159. Il motivo del diverso valore di K, pur trattandosi sempre di rame nudo come nel caso del dispersore, è da ricercarsi nella minore temperatura massima ammessa di 200 °C contro i 500 °C del dispersore, essendo i conduttori di terra esposti, diversamente dai conduttori del dispersore. Con questo valore di K si ottiene che ciascuno dei conduttori di terra ha una portata di 15105 A per 1 s, con un totale di 30210 A. Questo valore è ancora accettabile in presenza di trasformatori come quelli sopra indicati. Se i conduttori di terra sono invece isolati in PVC, K = 143, le portate si riducono a: 2 × 13585 = 27170 A. Analoghi calcoli di verifica possono essere fatti per i conduttori del dispersore e per i conduttori di terra all’esterno della cabina ove la sezione è ridotta in entrambi i casi a 50 mm2 in conseguenza della notevole riduzione delle correnti di guasto a terra allontanandosi dalla fonte di alimentazione. Abbiamo quindi visto degli esempi di verifica del dimensionamento degli elementi del dispersore magliato e dei conduttori di terra in un impianto di tipo TN-S. Rimane ora da stabilire quale debba essere il lato di maglia del dispersore (che esercita le sue funzioni agli effetti delle sole correnti di guasto sul lato media tensione, correnti che non intervengono sul dimensionamento dei conduttori essendo molto più piccole delle correnti di guasto sul lato bassa tensione). Non esistono valutazioni teoriche in proposito, in quanto non vi sono differenze di potenziale all’interno della maglia, visto che le correnti percorrono i lati di maglia ma non vengono disperse nel terreno. Esiste d’altra parte la necessità pratica di installare i collettori di terra in posizioni adatte a ridurre al minimo la lunghezza dei conduttori di protezione e di equipotenzialità, in quanto tanto più brevi sono detti conduttori, tanto minore è la tensione di contatto in caso di guasto a massa. La tensione di contatto dipende infatti unicamente dall’impedenza del circuito di guasto. Occorre quindi studiare sulla planimetria dell’impianto la posizione dei conduttori di terra e far passare i lati di maglia del dispersore in corrispondenza di essi. Ovviamente, come sopra accennato, in un impianto di tipo TN, quindi con cabina propria, è presente un trasformatore con primario a media tensione e si presenta quindi il problema della dispersione delle correnti in caso di guasto su questo lato. Di questo problema si è già parlato ai par. 3.4 e 3.5, relativi agli impianti di II categoria. Di solito, quando l’impianto di II categoria è in comune con un impianto di I categoria (ovviamente di tipo TN) sono le correnti di quest’ultimo a determinare le sezioni dei conduttori dell’impianto di terra. Quando invece l’impianto di terra riguarda solo un sistema di II categoria, si ricorrerà ai valori minimi delle sezioni imposti dalla Norma CEI 11-8 (art. 2.3.02, 2.2.03 e Appendice B). GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 62 di 80 10.3 Protezione contro i contatti indiretti 10.3.1 Sistema TT Poiché per questo tipo di impianto l’impianto di terra considerato è separato da quello della cabina di alimentazione, 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 Norma CEI 64-8, all’art. 413.1.4.2, richiede che sia soddisfatta la seguente relazione: R A I a ≤ 50 dove: RA = somma delle resistenze del dispersore e dei conduttori di protezione delle masse, in ohm; Ia = corrente che provoca il funzionamento automatico del dispositivo di protezione, in ampere. Se il dispositivo ha una caratteristica di funzionamento a tempo inverso, Ia è la corrente che provoca lo scatto entro 5 s. Tuttavia, è assai difficile nella pratica impiantistica ottemperare a tale prescrizione con protezioni di massima corrente, specialmente in impianti nei quali RA ha spesso valori piuttosto alti, dell’ordine di qualche ohm. È quindi praticamente indispensabile ricorrere a relè differenziali. In questo caso Ia è la corrente differenziale nominale e l’intervento deve avvenire entro 1 s. Ovviamente, con questo tipo di protezioni, sono sufficienti valori della resistenza di terra facilmente ottenibili anche in impianti di modeste dimensioni. 10.3.2 Sistema IT Per quanto riguarda il sistema IT, la Norma CEI 64-8, art. 413.1.5.3, richiede che sia soddisfatta la seguente relazione: R T I d ≤ 50 dove: RT = resistenza del dispersore al quale sono collegate le masse, in ohm; Id = corrente di guasto nel caso di primo guasto di impedenza trascurabile tra un conduttore di fase e una massa, in ampere. Questo non significa che la corrente Id, che è ovviamente piccolissima, corrisponda alla corrente di scatto della protezione, considerato che la prerogativa principale dell’impianto IT è quello di mantenere il servizio anche in caso di guasto a massa. Il primo guasto a massa deve però essere segnalato (413.1.5.4) 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, GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 63 di 80 considera le masse messe a terra individualmente (o a gruppi, che fa lo stesso). 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). Vale quindi la prescrizione sopra riportata dell’art. 413.1.4.2. 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 situazione simile a quella di un impianto di tipo TN. A questo proposito la Norma 64-8 considera, all’art. 413.5.6, due ulteriori possibilità: se il neutro non è distribuito (soluzione consigliata) deve essere soddisfatta la relazione: U Z S ≤ ------2I a mentre, se il neutro è distribuito deve essere soddisfatta la seguente condizione: UO Z S′ ≤ ------2I a dove: U = tensione fase-fase; UO = tensione fase-terra; ZS = impedenza dell’anello di guasto costituito dal conduttore di fase e dal conduttore di protezione; Z ′S = impedenza dell’anello di guasto costituito dal conduttore di neutro e dal conduttore di protezione. Entrambe le formule considerano doppia l’impedenza limitatrice della corrente di guasto: nel primo caso si tiene conto dell’impedenza delle due fasi, impedenze che sono da considerare in serie, assieme alle impedenze dei relativi conduttori di protezione con applicata la tensione fase-fase, mentre nel secondo caso al sistema si considera applicata la tensione fase-terra e si valuta il guasto neutro-terra come il guasto che causa la corrente di minor valore; entrano così in gioco l’impedenza di una fase, l’impedenza del neutro e le impedenze dei due conduttori di protezione del sistema. In questo caso, che si presenta in sostanza come un guasto fase-neutro attraverso i conduttori di protezione, si considera applicata la tensione fase-neutro. La corrente Ia è la corrente che fa intervenire le protezioni entro i tempi indicati alla Tab. 41B dell’art. 413.1.5.6 della Norma CEI 64-8/4. In sintesi, questa tabella riporta, per la tensione 230/400 V, 0,4 s per neutro non distribuito e 0,8 s per neutro distribuito. È tuttavia ammesso in determinati casi (art. 413.1.3.5 relativo all’impianto TN) di estendere il tempo di intervento a 5 s. Ne parleremo al par. 10.3.3 relativo al sistema TN. 10.3.3 Sistema TN Si è già accennato alle principali caratteristiche del sistema TN, usato normalmente negli impianti industriali nella sua variante TN-S e abbiamo pure accennato ai limiti della variante TN-C. L’impianto di tipo TN-S è anche l’unico che permetta, con opportuni provvedimenti, di limitare le tensioni di contatto a valori inferiori a 50 V, offrendo così GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 64 di 80 un’importante alternativa alla protezione mediante interruzione automatica dell’alimentazione (art. 413.1.1.1 della Norma CEI 64-8). L’articolo citato 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 c.a.”. 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 c.a., l’art. 413.1.3.3 richiede che sia soddisfatta la seguente relazione: ZS Ia ≤ UO dove: ZS = impedenza dell’anello di guasto; Ia = corrente che provoca l’intervento automatico del dispositivo di protezione entro il tempo definito dalla Tab. 41 A in funzione della tensione UO tra fase e terra La Tab. 41A richiede per VC = 230 V un tempo di intervento ≤ 0,4 s. Tuttavia l’art. 413.3.5 ammette un tempo di intervento entro 5 s 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). Ci interessa stabilire come è arrivata la Norma a fissare il tempo di intervento ≤ 0,4 s. La tensione di contatto, in assenza di collegamenti equipotenziali supplementari (cioè di collegamenti equipotenziali locali fra le varie masse che possano essere contemporaneamente toccate), è data dalla seguente formula: ZP U CO = U O ------------------ZF + ZP 32) dove: ZP = impedenza del conduttore di protezione; ZF = impedenza del conduttore di fase. La formula è di per sé ovvia in quanto stabilisce la ripartizione della tensione totale UO in funzione delle impedenze del circuito. La Norma comunque introduce un coefficiente di riduzione di 0,8. La formula si può quindi scrivere come segue 0, 8U O U CO = -------------------------1 + ZF ⁄ ZP 33) Per ZF = Zp, UCO = 92 V. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 65 di 80 La tensione di 92 V corrisponde sulla curva di sicurezza a 0,4 s. Questa situazione si riscontra negli impianti TN-C e negli impianti TN-S (in questi ultimi solamente quando si utilizza come conduttore di protezione il conduttore giallo verde incorporato nel cavo di potenza) per conduttori di fase fino a 25 mm 2. Quando i conduttori di fase superano 25 mm2, il conduttore di protezione (nel sistema TN-S) o il conduttore PEN (nel sistema TN-C) hanno sezione pari alla metà del conduttore di fase. È ovvio che in tal caso la situazione peggiora essendo ZF/ZP = 0,5. La tensione di contatto diventa in tal caso: 0, 8 ⋅ 230 U CO = ---------------------- = 122, 67 V 1, 5 (La Norma non tiene tuttavia conto di questa situazione.) Riprendiamo la formula 30), poniamo VCO= 50 V e UO = 230 V e risolviamo rispetto a ZP: ZF Z P = -----------2, 68 Quindi se ZP è inferiore a ZF/2,68 la tensione di contatto totale (cioè la tensione di contatto fra la massa interessata e il punto del sistema a potenziale zero) è inferiore a 50 V. Ovviamente, per ottenere questo risultato occorre che l’impedenza dei circuiti di protezione, che partecipano al trasporto della corrente di guasto tra la massa e il centro stella del trasformatore, sia complessivamente rispondente al valore sopra indicato. Ciò è evidentemente impossibile (come già detto) nel sistema TN-C e anche nel sistema TN-S quando si fa uso esclusivo del conduttore di protezione incorporato nel cavo di alimentazione. Se invece l’impianto è dotato di conduttori di protezione “principali” di notevole sezione che seguono il fascio di cavi di potenza (per es. lungo una passerella), e a questi conduttori di protezione principali fanno capo i conduttori di protezione esterni delle singole masse, ed inoltre i conduttori di protezione principali fanno capo in più punti ai collettori di terra (come consigliato dalla nota all’art. 413.1.3), facendo così partecipare al trasporto delle correnti di guasto anche i conduttori del dispersore magliato (Fig. 25), il risultato richiesto per mantenere la tensione di contatto totale al di sotto dei 50 V viene ottenuto facilmente. Inoltre, con questo sistema si ottiene una diffusa equipotenzialità, portando la tensione di contatto vera e propria a valori ancora più bassi. 10.4 Esecuzione dell’impianto di messa a 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. Si fa riferimento alla Fig. 25. 10.4.1 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 (in particolare condizioni, quando ciò sia conveniente GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 66 di 80 il motore può anche essere collegato direttamente ad un collettore di terra. Ciò vale ovviamente anche per la pulsantiera). Per quanto riguarda la pulsantiera, si realizzerà la più conveniente fra le soluzioni seguenti: a) si può collegare la pulsantiera al morsetto di terra del motore utilizzando lo stesso conduttore di protezione che quindi non viene quindi interrotto in corrispondenza del motore (ciò può essere conveniente quando motore e morsettiera sono sufficientemente vicini); b) in alternativa, si può collegare mediante un conduttore di protezione, la carcassa del motore al supporto metallico della pulsantiera che sarà a sua volta collegato al conduttore di protezione principale. Anche in questo caso la continuità del conduttore non verrà interrotta. Se invece il conduttore di protezione che collega la carcassa del motore al supporto della pulsantiera e quello che collega quest’ultimo al conduttore principale di protezione sono separati, occorre assicurarsi che esista fra i due la necessaria continuità elettrica (in questo caso è il supporto metallico della pulsantiera che fa da conduttore di protezione del tratto compreso fra i bulloni di fissaggio delle estremità dei due conduttori di protezione); c) si può collegare la pulsantiera al conduttore di protezione principale mediante proprio conduttore di protezione. Se il cavo (non armato) è posato in tubo metallico nell’ultimo tratto, dal fascio di cavi al motore, se il tubo deve contribuire alla messa a terra, sarà assicurata la sua continuità metallica anche nell’ultimo tratto solitamente costituito da un flessibile. In tal modo sarà assicurato un secondo collegamento di terra. Nel caso di alimentazione in b.t., se il cavo è armato, oltre al conduttore di protezione esterno, si realizzerà la messa a terra mediante un conduttore di protezione incorporato nel cavo di alimentazione. Per quanto riguarda l’armatura, essa non verrà utilizzata come conduttore di protezione e verrà quindi messa a terra ad una sola estremità. Solitamente l’estremità messa a terra sarà quella in cabina: ciò consentirà in tal caso di entrare nel motore con pressacavo normale, cioè privo della parte metallica occorrente per la messa a terra dell’armatura (questa prescrizione si riferisce solamente ai motori di b.t.). Se il fascio di cavi principali è posato in passerella, questa può essere collegata ad un collettore principale di terra posto in vicinanza del quadro comandi ed ad un collettore posto all’estremità opposta. Sulla necessità di tale collegamento si rimanda all’art. 413.2.1.1 e relativo commento della Norma CEI 64-8. Se la posa è in cunicolo, in ogni cunicolo deve essere posto un conduttore di protezione, collegato a collettori di terra come sopra detto, mentre in caso di posa diretta nel terreno e in tubi interrati, si poserà uno o più conduttori di protezione in relazione alle dimensioni della posa. Nota 10.4.2 Nel caso di posa dei cavi in tubi conduit aerei, uno o più conduttori di protezione principali verranno graffettati ai tubi del fascio principale e verranno collegati a collettori di terra. Se richiesto, il sistema sopra descritto può venire integrato da un conduttore di protezione incorporato (come nel caso dei cavi armati) nel cavo di potenza e nel cavo di comando. In questo caso, i conduttori di protezione faranno capo alla sbarra di terra contenuta nel quadro motori, che sarà a sua volta collegata mediante conduttori di protezione ad almeno due collettori di terra. Impianto prese Se le prese f.m. 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 67 di 80 10.4.3 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 e gli interruttori locali. 10.4.4 Tubi protettivi metallici (conduit) È consigliabile mettere a terra i tubi protettivi alle due estremità, nel caso di utilizzo del conduit per tutto il percorso dal quadro all’utilizzatore, mentre nel caso di utilizzo del conduit dalla passerella all’utilizzatore è sufficiente la messa a terra in corrispondenza della passerella (con ciò si rinuncia ovviamente al contributo del tubo conduit alla messa a terra del motore e della pulsantiera). In ogni caso occorre aver cura che le giunzioni assicurino la continuità metallica. La messa a terra può avvenire semplicemente tramite i supporti (staffe). Anche per questi collegamenti si rimanda all’art. 413.2.1.1 della Norma CEI 64-8 e relativi commenti. 10.4.5 Conduttori di protezione La sezione del conduttore di protezione può essere determinata con la formula (64-8 art. 543.1.1): 2 I t S p ≥ ---------K in cui I è la corrente di guasto in ampere e t il tempo di eliminazione del guasto in secondi. I valori di K sono dati dalle Tab. 54 B, 54 C, 54 D, 54 E dalla Norma CEI 64-8/5. Più semplicemente ci si può ottenere alla Tab. 54 F 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 (si fa notare che i cavi in commercio hanno il conduttore di protezione uguale al conduttore di fase fino a 25 mm2 inclusi). Per sezioni maggiori di 70 mm2 è bene ricorrere alla formula generale (8.4.5), che può consentire l’uso di sezioni minori di quelle che si otterrebbero col procedimento del punto precedente. I conduttori di protezione sono normalmente costituiti da corde di rame con guaina giallo-verde. Per altri tipi di conduttori di protezione si rimanda all’art. 543.2 della Norma CEI 64-8/5. 10.4.6 Conduttori equipotenziali I conduttori equipotenziali sono di due tipi (cfr. art. 547 della Norma CEI 64-8): principali, quelli che collegano masse estranee direttamente a un collettore di terra; supplementari, quelli che collegano le masse (estranee o no) 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 mm2 ed un massimo di 25 mm2 (rame) (art. 547.7.1.1). GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 68 di 80 Stante la varietà dei conduttori di protezione esistenti in un impianto industriale, si consiglia di adottare normalmente la sezione di 25 mm2 (rame). La sezione minima dei conduttori equipotenziali supplementari che colleghi fra loro due masse non deve essere inferiore a quella del conduttore di protezione di sezione minore. Se il conduttore equipotenziale supplementare collega una massa a masse estranee, la sezione del conduttore equipotenziale non deve essere inferiore alla metà di quella del conduttore di protezione. Se il conduttore equipotenziale supplementare collega fra di loro 2 masse estranee, avrà sezione minima come da 64-8. I conduttori equipotenziali saranno normalmente costituiti da corde in rame isolate con guaina giallo-verde. Nel caso in cui il conduttore equipotenziale colleghi due o più apparecchi, esso deve essere continuo, in modo da consentire la rimozione di un apparecchio senza interrompere il collegamento. 10.4.7 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 trasformatori. 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. 10.5 Misura dell’impedenza dell’anello di guasto La Norma CEI 64-8/6 “Verifiche” indica una serie di prove di normale esecuzione. Qui intendiamo occuparci del par. 612.6 “Verifica della protezione mediante interruzione automatica dell’alimentazione” che, nel caso del sistema TN, si traduce nella misura dell’impedenza dell’anello di guasto (612.6.3) mentre per l’impianto TT è sufficiente la misura della resistenza di terra (come già detto al par. 7.2). L’Appendice C al cap. 61 della Norma CEI 64-8/6 suggerisce due metodi di misura dell’impedenza del circuito di guasto, il secondo dei quali (Metodo 2, 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 limitatrice R (vedi Fig. 26). Durante la misura si stabilisce fra la massa e le parti circostanti che possono essere toccate contemporaneamente alla massa considerata una tensione di contatto di valore UC = ZC · I, in cui ZC è l’impedenza del collegamento a terra e I è la corrente che circola nell’apparecchio e nell’anello di guasto simulato. Evidentemente UC avrà un valore assai basso in quanto la corrente I 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 69 di 80 Fig. 26 Circuito utilizzato per la determinazione della tensione di contatto UCG in caso di reale guasto franco a massa Il problema è: in quale rapporto sta questa UC con la vera tensione di contatto UCG che si manifesta in caso di reale guasto franco a massa? La soluzione è semplicissima. Come già detto, l’apparecchio misura l’impedenza dell’anello di guasto, quindi consente il calcolo della corrente di guasto IG mediante la semplice U ZG operazione ------O- . Abbiamo quindi la corrente I misurata durante il funzionamento dell’apparecchio e la corrente IG calcolata. La tensione di contatto UC e quella vera UCG staranno fra di loro come le correnti I e IG, essendo ovviamente sempre la stessa l’impedenza ZC della massa a terra. I Basta quindi moltiplicare la UC misurata per il rapporto ----G- per avere finalmente la I tensione di contatto: IO U CG = U C ----I 34) Occorre quindi semplicemente eseguire contemporaneamente alla misura della ZG, anche le misure della corrente I e della tensione UC per ottenere quindi la tensione di contatto UCG, che negli impianti con messa a terra ben fatta dovrebbe essere sempre inferiore a 50 V, garantendo quindi la sicurezza. In questo modo, utilizzando sempre lo stesso apparecchio e nello stesso tempo, si potrà controllare il soddisfacimento dell’articolo 413.1.3.3 della Norma CEI 64-8 sia dal punto di vista dell’intervento delle protezioni entro 5 s (come si è fatto fino ad oggi) sia dal punto di vista del non superamento dei 50 V per quanto riguarda la tensione di contatto. Ovviamente, è sufficiente che una sola delle due condizioni sia soddisfatta. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 70 di 80 11 PRESCRIZIONI PARTICOLARI CAPITOLO 11.1 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. 11.2 Drenaggio delle cariche elettrostatiche 11.2.1 Generalità 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. L’argomento è trattato nella Norma CEI 31-8 e nella Norma CEI 64-2 (art. 14.1.03 e 14.2.02). 11.2.2 Impianti in luoghi con pericolo di esplosione Per limitare i rischi provenienti da scariche dovute a cariche elettrostatiche, si procede alla messa a terra di tutti i corpi metallici fra i quali potrebbero sorgere pericolose differenze di potenziale, rendendoli così equipotenziali. Per assicurare un buon drenaggio delle cariche elettrostatiche è sufficiente che i collegamenti elettrici relativi, dati i valori delle tensioni e correnti in gioco, abbiano una resistenza non superiore a 1 MΩ. Deve essere comunque assicurata la continuità elettrica nel tempo e la resistenza dei collegamenti alle corrosioni. È richiesta anche una buona resistenza meccanica. Devono essere collegati a terra e fra di loro: a) le parti metalliche delle pareti, dei tetti, delle incastellature, delle macchine e delle trasmissioni; b) le cinghie delle trasmissioni e i nastri trasportatori a mezzo contatti striscianti; c) gli elementi delle tubazioni metalliche per il trasporto delle polveri infiammabili; d) le strutture metalliche dei mezzi di trasporto di liquidi infiammabili durante le operazioni di carico e scarico. È richiesto inoltre il collegamento metallico coi serbatoi destinati a contenere il liquido infiammabile e dai quali il liquido fluisce al mezzo di trasporto. Considerando che le parti indicate al punto a) e c) sono solitamente già collegate a terra per protezione contro i contatti indiretti e/o contro le scariche atmosferiche, ne consegue che particolari provvedimenti vanno di solito presi solo nei casi b) e d). GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 71 di 80 Per la messa a terra di tali organi e strutture, si possono impiegare conduttori in piattina di rame stagnata di sezione 20 mm2 × 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. 11.2.3 Messa a terra di autocisterne Come detto più sopra al punto d), 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 (es. 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. 11.2.4 Messa a terra dei natanti La messa a terra dei natanti deve essere eseguita a mezzo di appositi apparecchi che, oltre a segnalare visivamente mediante lampade l’avvenuta messa a terra, consentono l’avviamento delle pompe di carico o scarico del natante solamente dopo che la messa a terra è stata sicuramente ottenuta. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 72 di 80 MISURE SUL POSTO 12 CAPITOLO Misura della resistività del terreno 12.1 La misura della resistività del terreno ρ può essere eseguita con il metodo dei quattro picchetti (per es. Metodo di Wenner) come da Fig. 27 [bibl. 3]. Con questo metodo può essere determinata la resistività del terreno ρ a diverse profondità dello stesso. La resistività è data dalla relazione: ρ = 2ΠaR dove R è la resistenza misurata all’ohmetro e a è la distanza tra i picchetti. In questa formula la resistività ρ è quella misurata alla profondità a del terreno. Fig. 27 Schema del circuito usato per la misura della resistività del terreno 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 installato 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, ad esempio utilizzando il metodo dei quattro picchetti nelle sue due disposizioni di Wenner e di Schlumberger opportunamente integrate [bibl. 21]. 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 stato superficiale (da cui dipende 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 73 di 80 12.2 Misura della resistenza totale di terra Il metodo di misura della RT più comunemente adottato è quello Voltamperometrico, menzionato nelle Norme CEI 11.8, art. 4.1.04. Esso, poi, viene realizzato secondo due criteri applicativi che utilizzano strumentazione diversa. 1) Criterio 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 (p.e. singolo picchetto o combinazione di picchetti, dispersori per tralicci di linea, 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 di misura da adottare, prevede il posizionamento della sonda di tensione, dell’elettrodo ausiliario di corrente e dell’elettrodo in prova, lungo una ideale linea retta. La distanza della sonda di tensione dall’elettrodo in prova deve essere almeno pari 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. 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 Im 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: UP R T = -------------r ⋅ Im dove: UP = tensione misurata tra il dispersore in prova e la sonda di tensione posta in area a potenziale nullo (V); Im = corrente iniettata nella rete di terra (A); r = fattore di riduzione della linea, determinato secondo le modalità indicate in 3.7 (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 [bibl. 22] Con riferimento alla Fig. 28 le distanze L1 ed L2 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. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 74 di 80 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 dispersore della stazione di partenza di tale linea. 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 (Up) deve essere effettuata in diversi punti, a distanza in progressivo aumento a partire dalla periferia dell’elettrodo in prova verso la sonda di corrente. Con in punti così rilevati, si costruisce la curva dell’andamento della tensione, allo scopo di verificare 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 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, perciò, è necessario il rilevamento di tre valori di tensione: U0 = valore della tensione rilevata in assenza di corrente; U1 = valore della tensione rilevata durante l’iniezione di corrente U2 = valore della tensione rilevata con corrente invertita di 180°. L’applicazione della relazione seguente: 2 U = 2 U1 + U2 2 ------------------- – U 0 2 fornirà il valore reale della tensione prodotta dalla corrente impressa. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 75 di 80 12.3 Misura delle tensioni di passo e di contatto La misura delle tensioni di passo e di contatto viene realizzata, anch’essa, mediante il criterio dell’iniezione di corrente, già descritto per la misura della RT. I valori delle tensioni di passo e di contatto possono essere misurati mediante un multimetro ad alta impedenza interna con collegato in parallelo al suo ingresso una resistenza di 1 kΩ a simulazione della resistenza del corpo umano. Ammettendo una relazione di proporzionalità, le tensioni che si misurano devono essere, poi, riportate alla massima corrente di terra che l’impianto è chiamato a disperdere. La tensione di contatto deve essere misurata fra la parte metallica sotto controllo e due elettrodi ausiliari posti alla distanza di 1 m e premuti contro il suolo con il peso di almeno 250 N. La tensione di passo deve essere misurata tra i due elettrodi ausiliari disposti ad 1 m di distanza l’uno dall’altro premuti, anch’essi, contro il suolo con un peso di almeno 250 N ciascuno. Su terreno ricoperto di ghiaia, asfalto o simili la misura va fatta ponendo sotto l’elettrodo un panno umido o dopo aver bagnato abbondantemente il terreno. Su terreno erboso, invece, in alternativa agli elettrodi a piastra, è possibile utilizzare un picchetto infisso nel terreno per circa 20 cm. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 76 di 80 Fig.28 Circuito utilizzato per le misure: a) della resistenza totale di terra; b delle tensioni di contatto e di passo LEGENDA VT TR IB TA A Tp Ta Tv L1 L2 VT S Sv V = = = = = = = = = = = = = = Variatore trifase di tensione Trasformatore trifase Invertitore bipolare Riduttore di corrente Amperometro Impianto di terra in esame Elettrodo ausiliario di corrente Sonda di tensione Distanza dell’elettrodo ausiliario di corrente, usato per misurare la resistenza di terra Distanza della sonda di tensione Voltmetro digitale, precisione 0,5 Struttura metallica nell’area dello stabilimento Elettrodi ausiliari di tensione, usati per il rilievo delle tensioni di contatto e di passo Voltmetro digitale usato con resistenza da 1000 Ωm in parallelo. GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 77 di 80 BIBLIOGRAFIA [1] Cataliotti: Impianti elettrici, Flaccovio Editore, Palermo, 1983 [2] Feist, K.-H., CIGRE Symposium, Bruxelles 1985, report 410-01 [3] Carrescia: “Fondamenti sicurezza elettrica”, Hoepli 1984 [4] Silvestri, Tomazzolli, Tomatis: Corso di aggiornamento, Università di Pavia, giugno 1991 [5] Pubblicazione IEC 909-3 [6] Cataliotti, Energia Elettrica 1977, n° 6; 1992, n° 9 [7] Buccheri, Morabito: “Le funi di guardia come circuiti di drenaggio”, Energia Elettrica 1983, n° 4 [8] TC 112 CENELEC (EN 50179) [9] L. Bassano Colombo: “Le funi di guardia e le guaine dei cavi come dispositivi ausiliari di terra”, LXIX Riunione annuale A.E.I, Trieste 1968, mem. A.e.02 [10] Gebhard, ETZ-A, 1975, H 9 [11] Koch, W.: “Erdungen in Anlagen > 1 kV”, Springer Verlag, 1955 [12] Rüdenberg, R.: Elektrische Schaltvorgänge, Springer Verlag, 1953 [13] Kupfmüller, K.: Einführung in die theor. Elektr.”, Springer Verlag, 1959 [14] IEEE Std 80, 1986 “Substations Grounding” [15] Seljeseth, H., Campling, A., Feist, K.-H., Kuassari, M.: “Station Earthing”, Elektra n° 71, July 1980 [16] Carrescia, Tomatis, Tuttonormel, settembre 1990 [17] P. Buccheri, S. Mangione; “Potenziali trasferiti tra impianti di terra: Problemi di sicurezza”, Seminario su “Sviluppo nella sicurezza elettrica”, Torino 9-10 maggio 1985 [18] P. Buccheri, A. Campoccia, S. Mangione: “Interferenza a frequenza industriale e ad alta frequenza negli impianti di terra”, Simposio sugli impianti di terra, Palermo 6-7 dicembre 1990 [19] Laurent, RGE juillet-aout, 1972 [20] ABB Handbook [21] A. Campoccia, Tuttonormel (1995) n° 9 [22] A. Corvino, S. Frigeri, C. Masetti: “Verifiche degli impianti di terra”, Simposio sugli impianti di terra, Palermo 1990 Fine Documento GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 78 di 80 GUIDA CEI 11-37:1996-11 Pagina 79 di 80 Editore CEI, Comitato Elettrotecnico Italiano, Milano - Stampa in proprio Autorizzazione del Tribunale di Milano N. 4093 del 24 luglio 1956 Responsabile: Ing. E. Camagni 11 - Impianti elettrici ad alta tensione e di distribuzione pubblica di bassa tensione CEI 11-1 Impianti di produzione, trasporto e distribuzione di energia elettrica – Norme generali CEI EN 60903 (CEI 11-31) Specifica per guanti e muffole di materiale isolante per lavori sotto tensione CEI 11-4 Esecuzione delle linee elettriche aeree esterne CEI 11-32 Sistemi di conversione allacciati alla rete pubblica di terza categoria CEI 11-8 Impianti di produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica – Impianti di terra CEI 11-15 Esecuzione di lavori sotto tensione CEI EN 60900 (CEI 11-16) Attrezzi di lavoro a mano per lavori sotto tensione fino a 1000 V in corrente alternata o 1500 V in corrente continua CEI 11-17 Impianti di produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica – Linee in cavo CEI EN 61057 (CEI 11-33) Elevatori a braccio isolante utilizzati per lavori sotto tensione superiore a 1 kV in corrente alternata CEI EN 61219 (CEI 11-34) Lavori sotto tensione – Apparecchio di messa a terra o di messa a terra ed in cortocircuito, utilizzando delle lance come dispositivo di messa in cortocircuito – Messa a terra con lance CEI 11-35 Guida all’esecuzione delle cabine elettriche d’utente CEI 11-18 Impianti di produzione, trasporto e distribuzione di energia elettrica – Dimensionamento degli impianti in relazione alle tensioni CEI 11-19 Installazione ed esercizio di trasformatori e di apparecchi contenenti askarel CEI 11-20 Impianti di produzione diffusa di energia elettrica fino a 3000 kW CEI 11-21 Tubi isolanti con anima di schiuma e tondi isolanti massicci per il lavoro sotto tensione CEI 11-22 Aste isolanti ed attrezzi adattabili per lavori sotto tensione CEI 11-23 Abiti conduttori per lavori sotto tensione fino a 800 kV di tensione nominale in corrente alternata CEI 11-24 Terminologia per attrezzi ed equipaggiamenti per lavori sotto tensione CEI 11-25 Calcolo delle correnti di cortocircuito nelle reti trifasi a corrente alternata CEI EN 60865-1 (CEI 11-26) Correnti di cortocircuito – Calcolo degli effetti – Parte 1: Definizioni e metodi di calcolo CEI 11-27 Esecuzione dei lavori su impianti elettrici a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua CEI 11-28 Guida d’applicazione per il calcolo delle correnti di cortocircuito nelle reti radiali a bassa tensione CEI 11-29 Alimentatori per precipitatori elettrostatici CEI EN 60984 (CEI 11-30) Manicotti di materiale isolante per lavori sotto tensione Lire GUIDA CEI 11-37:1996-11 Totale Pagine 86 150.000 Sede del Punto di Vendita e di Consultazione 20126 Milano - Viale Monza, 261 tel. 02/25773.1 • fax 02/25773.222 • E-MAIL [email protected]
Scarica
