Collegamento a terra degli impianti elettrici

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1 Collegamento a terra degli impianti elettrici E noto che il passaggio di corrente nel corpo umano provoca dei danni che possono essere irreversibili se il contatto dura troppo a lungo. Studi medici approfonditi hanno dimostrato che la soglia di sicurezza è rappresentata da un valore di 10 ma. In termini di tensione sopportabile dal corpo umano, tale limite si traduce nella tensione di contatto, data da = Z I Z c c p c Il problema risiede nella valutazione dell impedenza di contatto, non facilmente determinabile. Dal punto di vista circuitale, l uomo può essere così rappresentato Alle frequenze industriali, le capacità possono essere trascurate e quindi si può considerare il corpo come una resistenza pura. Anche in questo caso si sono sviluppati degli studi statistici che hanno mostrato come un valore di circa 1000 Ω sia un valore abbastanza corretto per rappresentare l uomo da un punto di vista elettrico, come mostra la figura seguente. 1

2 In realtà non è possibile applicare direttamente il calcolo della tensione sopportabile da un uomo a partire dalla precedente formula, perché la resistenza del corpo è pur sempre variabile. Quindi si pone il problema di determinare un limite di tensione sicuro. Per far ciò si ricorre alla rappresentazione circuitale di un contatto elettrico tra un uomo ed un apparato in tensione. 2

3 Nel circuito in figura, R tp rappresenta la resistenza verso terra dell uomo, non facilmente determinabile. E importante osservare che la tensione di contatto risulta pari a Rc 1 c = co = co R R R co c + tp tp 1+ Rc ed, indipendentemente dai valori assunti dalle resistenze, essa è sempre inferiore (o al limite uguale) alla tensione di contatto a vuoto, co. Quindi le norme prevedono un limite sulla tensione di contatto a vuoto che è un parametro elettrico certo. Si impongono quindi come limite di tensione i valori: U L =50 per i contatti in condizioni ordinarie U L =25 per i contatti in condizioni particolari (cantieri,..) 3

4 Il limite sulla tensione di contatto a vuoto viene ottenuto collegando a terra l impianto elettrico mediante i dispersori, che sono dei paletti di particolare forma piantati nel terreno. La forma più semplice da esaminare è quella sferica. Supponiamo di avere un dispersore emisferico su cui fluisce una corrente I. Se il terreno è omogeneo, con resistività ρ t, la corrente si distribuisce uniformemente sul dispersore; sfruttando la legge di Guass, si ottiene il potenziale elettrostatico che vale ti r ( ) = ρ 2πr rappresentato in figura. 4

5 Il potenziale si annulla all infinito e quindi la tensione a cui si trova il dispersore è pari a t I = ρ πt r 2 0 definita come tensione totale di terra. La resistenza totale di terra vale R t t t = = ρ I πr 2 0 e rappresenta la resistenza tra il dispersore E ed il punto a potenziale nullo, ovvero il punto di terra ideale. Nel momento in cui avviene un contatto tra una persona ed un elemento collegato a terra che disperde una corrente I, la tensione a cui si trova sottoposto il corpo umano vale c = t R c Rc + R tp = 1 t R 1+ R tp c t 5

6 E fondamentale osservare che ora la tensione massima a cui può essere sottoposta la persone è proprio t e quindi agendo sulla resistenza di terra si riesce a soddisfare la norma sulla tensione di contatto limite (50 ). La resistenza di terra è ovviamente funzione della resistività del terreno e quindi va progettata con cura. Dal punto di vista della messa a terra, i sistemi sono classificati in vari modi, tramite una coppia di lettere, indicanti lo stato del neutro e delle masse, in tal modo: prima lettera: T: collegamento diretto a terra del neutro (con impedenza trascurabile) I: isolamento da terra o collegamento mediante impedenza; seconda lettera: T: collegamento a terra delle masse; N: collegamento delle masse al punto del sistema collegato a terra (generalmente il neutro). In base a tali definizioni si hanno i seguenti sistemi. 6

7 Sistema TT: il neutro e le masse sono direttamente collegate a terra, con due impianti di terra indipendenti. conduttore di protezione lato utente lato cabina Il neutro deve essere sezionabile, mentre il conduttore di protezione PE non deve mai essere sezionabile, perché deve collegare le masse ai dispersori di terra. In caso di guasto, il circuito interessato al passaggio di corrente è quello tratteggiato. Essendo le resistenze di terra basse (di solito quella dell utente è la maggiore), la corrente di guasto può assumere un basso valore (a causa della resistenza totale di guasto elevata) che può non fare intervenire l interruttore di protezione, se questo non è di tipo differenziale di opportuna sensibilità, causando dei problemi di sicurezza dell installazione. 7

8 Sistema TN-C: il neutro è direttamente collegato a terra mentre le masse sono collegate al conduttore di neutro e neutro e protezione sono ottenute con lo stesso conduttore. Il neutro non deve essere sezionabile, poiché funge anche da conduttore di protezione. Sistema TN-S: il neutro è direttamente collegato a terra mentre le masse sono collegate al conduttore di neutro e neutro e protezione sono ottenute con conduttori diversi collegati. Il neutro può essere sezionabile. 8

9 Il circuito di guasto in tali collegamenti è limitato tra la fase ed il neutro ed é un circuito a bassissima impedenza, con una corrente di guasto che è molto elevata, producendo l intervento dell interruttore di massima corrente a protezione del circuito. L efficienza del sistema è legata alla qualità della terra della cabina. Quindi, in assenza di interruttori differenziali, il sistema TN è più sicuro del TT. In Italia, tale connessione è permessa per gli impianti utilizzatori alimentati da una propria cabina. 9

10 Sistema IT: il neutro è collegato a terra con una impedenza mentre le masse sono collegate a terra con il conduttore di sicurezza. Una grandezza importante per caratterizzare i sistemi dal punto di vista della sicurezza è la tensione nominale verso terra, cioè la tensione tra un punto ed il punto di messa a terra. i possono essere vari casi: sistema trifase con neutro a terra e simmetrico tn n = = 3 E 10

11 sistema monofase con punto di mezzo a terra o in corrente continua tn n = 2 Se il sistema è isolato da terra oppure è connesso a terra tramite impedenze con caduta di tensione non trascurabile, il calcolo si complica. In ogni caso, riassumendo, si ha: tn = n n 3 sistemi trifase con neutro isolato o a terra tramite impedenza sistemi trifase con neutro a terra tn = 2 n n sistemi monofase o a corrente continua senza punti di messa a terra sistemi monofase o a corrente continua con punto di mezzo a terra 11