9.1 Resistenza di terra. 9.2 Dispersori di terra Definizione di resistenza di terra. Capitolo 9 (Ultimo aggiornamento

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1 Capitolo 9 (Ultimo aggiornamento ) 9.1 Resistenza di terra Definizione di resistenza di terra Si definisce "resistenza di terra" R, il rapporto tra il potenziale a cui si porta la testa di un dispersore quando in esso è iniettata la corrente I. R V I ove V è la tensione che assume il dispersore, rispetto ad un riferimento posto all infinito (potenziale 0 di riferimento) quando in esso transita la corrente I. 9.2 Dispersori di terra Ad esempio per il calcolo della resistenza di terra di un elettrodo emisferico interrato in un suolo, pensato omogeneo ed uniforme dotato di resistività, si procede come segue. Fig.9.1 La densità di corrente J erogata dalla batteria tra i due elettrodi metallici semisferici di figura, separati dal terreno omogeneo di resistività, è pari a: J r I 2 r 2 quindi, per la legge di Ohm generalizzata e per le particolari condizioni di analisi, si ha: E r J ma: r V 1 r r2 Ēdr r21 I 2 r 2 I 2 r 2 dr 2 I r 1 dr r 2 r 2 2 I r 2 r 1 r 1 r 2 1

2 per cui: R V I 2 1 r 2 r 1 r 1 r r r 2 Se r 2 va all infinito, la resistenza di terra dell emisfero r 1 assume il valore: R 2 r 1 La resistenza di terra del dispersore emisferico dipende quindi dal mezzo e dalla geometria dell elettrodo emisferico r 1 in modo inversamente proporzionale Valutazione del gradiente di potenziale Nelle ipotesi di simmetria, come mostrato nella figura 9.1, il campo elettrico in funzione del raggio r vale: E r J I 2 r 2 2 r 2 V R V r 1 r 2 r 2 r 2 r 1 Quindi il campo massimo, si ha quando è minimo il denominatore della frazione V r 2, cioè quando r r 1 Emax V r 1 r 2 r 2 r 1 In figura 9.2 è riportato l andamento delle linee equipotenziali in funzione della distanza r dall elettrodo. Fig.9.2 l andamento del potenziale tra i due elettrodi và come V r 1/r 2. Se r 2 il campo elettrico assume la forma E r r V I 1 2 r2 1 2

3 9.2.2 Forme dei dispersori Nella figura 9.3 sono riportate alcune tipologie di dispersori: a) picchetto; b) piastra; c) maglia. Fig.9.3 Vi sono anche altre tipologie di dispersori, ad esempio: conduttori interrati orizzontalmente, maglie di lato, maglie e picchetti insieme. La presenza del dispersore può essere segnalata attraverso un cartello del tipo in figura 9.4: Fig.9.4 Tutte le formule che si trovano sui vari manuali per il calcolo delle resistenze di terra per dispersori di vario tipo, sono necessariamente approssimate, perchè viene sempre a mancare il requisito fondamentale: l omogeneità del terreno e delle sue caratteristiche elettriche. Infatti la resistività del terreno non è sempre la stessa, essa varia in base al grado di umidità, alla natura del terreno stesso, da tutto ciò che si trova al suo intorno ( falde, rocce, etc.) e dalla compattezza degli strati interessati dal campo di corrente. 3

4 9.3 Misura della resistenza di un picchetto di terra Rx Metodo Voltamperometrico Fig.9.5 E necessario un generatore di corrente alternata di intensità variabile, con un amperometro ed un voltmetro e due elettrodi ausiliari: av ausiliario voltmetrico aa ausliario amperometrico Rx V I lettura voltmetro lettura amperometro Osservazioni a) se non si può disporre di una sorgente in corrente alternata, si può fare uso di un generatore in corrente continua, ma in questo caso si devono eseguire due misure, invertendo le polarità del generatore nel circuito amperometrico (n.b. anche le polarità del voltmetro devono essereinvertite,selostrumentononèazerocentrale). b) il generatore di corrente iniettata nel terreno tramite il picchetto Rx e quello ausiliario Raa, è bene che sia la più intensa possibile, per evitare false letture dovute a fenomeni non lineari del terreno (ad esempio effetti di isteresi etc.). La corrente iniettata deve essere dell ordine di almeno qualche ampere (al più A). 4

5 9.3.2 Metodo delle tre letture Fig.9.6 Dalla fig.9.6: utilizzando un ohmetro, cioè uno strumento in grado di misurare la resistenza elettrica, si avranno a coppia i seguenti risultati: R Ax R A Rx R Bx R B Rx R AB R A R B per cui: Rx R Ax R Bx R AB 2 Vantaggi Il metodo prescinde da eventuali difficoltà nella realizzazione dei picchetti ausiliari R A e R B Metodo a ponte o a bobine incrociate Lo strumento con cui si esegue la lettura, è uno strumento a bobine incrociate in serie ad una delle quali è posta la resistenza da misurare e nell altra una resistenza campione Rc. Pertanto la deviazione dell indice è funzione del valore di Rx : f Rx Nel caso si faccia uso di un ponte, il suo azzeramento, operando su Rc, fornisce il valore Rx : R X R 2 R 1 R C Il rapporto R 2 R 1 si varia per variare il campo di misura di R X tra 1, 10, 0. 1 etc... Vantaggi: a) maggiore praticità e lettura diretta 5

6 Svantaggi: b) gli strumenti sono poco affidabili nel caso di non linearità del terreno, a causa della bassissima corrente erogata dal generatore Misura della resistività del terreno: metodo di Wenner o dei 4 picchetti In figura 9.7 è riportato lo schema per misurare la resistività del terreno utilizzando quattro dispersori uguali di altezza h 0. 1a, posti alla distanza "a" l uno dall altro, allineati e infissi nel terreno di resistività ; per la simmetria della configurazione si ha: U B U C RI 2 a I quindi : R U B U C lettura del voltmetro I lettura dell amperometro da cui 2 ar La sarà espressa in: cm se "a" è espresso in cm; m se "a" è espresso in m. Fig Messa a terra: classificazione degli impianti Prima di illustrare gli effetti della messa a terra in un impianto elettrico è necessario premettere la classificazione degli impianti elettrici in BT con riferimento alla messa a terra stessa. Gli impianti in BT sono classificati in: -TT: terra del centro stella del trasformatore differente dalla messa a terra dell utilizzatore (vedi figura 9.8). 6

7 Fig.9.8 -TN: la messa a terra del centro stella del trasformatore coincide con la terra dell utilizzatore per il tramite del filo neutro (PEN). L impianto TN, in Italia è riservato esclusivamente all utilizzatore dotato di cabina propria di trasformazione MT/BT (vedi figure 9.9 e 9.10). Fig.9.9 Fig IT: il centro stella del trasformatore è isolato mentre l utente ha una propria messa a terra; è la tipica configurazione degli impianti ospedalieri ovvero di quegli impianti nei quali deve essere assicurata la presenza di tensione anche in caso di un guasto a terra (vedi figura 9.11). Fig

8 Gli impianti TT sono la generalità degli impianti dell utilizzatore civile con potenza impegnata inferiore a 100kW. Gli impianti TN sono riservati in Italia esclusivamente agli utilizzatori dotati di cabina di trasformazione (MT/BT) di loro proprietà. A loro volta gli impianti TN si classificano in impianti TN-C, ove la C indica che il neutro (quarto filo) costituisce anche il conduttore di protezione (conduttore PEN); mentre negli impianti TN-S i conduttori della distribuzione sono 5: tre fasi neutro conduttore di protezione (conduttore PE con guaina di colore verde/giallo) distinto dal neutro. Il PE può essere messo in contatto con il neutro in cabina o in corrispondenza del nodo equipotenziale di ogni quadro di distribuzione Impianti TT Gli impianti TT sono obbligatori per tutte le utenze civili dal 1990 in poi giusta legge 46/90, a prescindere dalla presenza di lavoratori subordinati nell ambiente ove è installato l impianto. Per gli impianti preesistenti al marzo 1990, se non sono presenti lavoratori subordinati, l obbligo scatta al momento di una manutenzione straordinaria dei locali, ma comunque deve essere assicurata la presenza di un interruttore differenziale ad alta sensibilità (I 30mA salvavita). Fig.9.12 Dalla figura 9.12 è chiaramente visibile l effetto della messa a terra di utente (R d, separata dalla resistenza di terra (R T dal distributore, nel caso di un cedimento di isolamento dell utilizzatore (guasto a terra). La presenza della R d permette la circolazione di una corrente (di guasto a terra) ig,appena si manifesta un cedimento di isolamento, corrente che, in qualche modo, può essere rilevata sia dall interruttore che dall interruttore differenziale. 8

9 La presenza di tale corrente agisce a favore della sicurezza nei modi che seguono: l assenza di una messa a terra dell apparato avrebbe dato luogo all insorgenza sulla carcassa metallica di una tensione di contatto Vc pari a quella di fase U, tensione sicuramente pericolosa per colui che ne fosse venuto in contatto. La circolazione di corrente ig riduce la tensione di contatto al valore: Vc igrd Rd/ Rd Rt U avendo trascurato in prima approssimazione l impedenza di fase sia del trasformatore che del cavo di alimentazione. In pratica la riduzione non è rilevante, in quanto R d è Rt infatti la Rt è generalmente inferiore ad 1 per la sicurezza della cabina MT/BT. L attuale normativa in vigore in Italia, prevede che la tensione di contatto soddisfi la relazione Vc 50V. La presenza di un interruttore dfferenziale in associazione alla presenza della messa a terra R d fà si che la relazione Vc 50 sia facilmente rispettata anche con valori elevati di R d ; infatti: R d I 50 che, nel caso di I 30 ma è pari a 1660, valore facilmente ottenibile in pratica con costi molto contenuti. La presenza del dispersore può creare dei problemi nel suo intorno legati alla tensione di passo (vedi gradiente di potenziale). E necessario quindi che la zona attorno al picchetto non presenti tra due punti distanti 1m, una tensione superiore a 50 V. Qualora il dispersore R d sia vicino all apparrechiatura che perde l isolamento e tutta la zona circostante, terreno e masse metalliche estranee, sia resa equipotenziale (vedi figura 9.13): non si hanno situazioni di pericolo per un eventuale contatto con la carcassa V c 0 o tra i due piedi Vp 0 otramanoemano V c 0 ove M è una generica massa estranea connessa alla piastra e posta ad una distanza inferiore a 2m. 9

10 Fig Impianti TN-C E il tipico impianto elettrico in BT di un utente con cabina di trasformazione propria: la C stà a rimarcare la coincidenza del neutro con il conduttore di protezione (cavo con guaina di colore verde-giallo denominato PEN cioè protezione e neutro). Fig.9.14 In figura 9.14 è riportato lo schema di collegamento delle masse metalliche degli involucri alla terra tramite il neutro (messa a neutro). Nel caso di cedimento dell isolamento, la situazione è equivalente ad un corto circuito fase neutro per cui l interruttore a protezione della linea, entrerà in azione. La tensione di contatto, per la durata del tempo di apertura dell interruttore, è pari, al più, alla tensione di fase. In alcuni paesi nelle civili abitazioni la "messa la neutro" è obbligatoria anche per gli impianti senza cabina propria, mentre in Italia 10

11 ciò è vietato. Il divieto nasce dal rifiuto da parte del distributore di assumersi responsabilità, nel malaugurato caso in cui una fase vada a contatto con il neutro e che il guasto non venga prontamente rimosso, perchè in tale ipotesi tutte le carcasse metalliche delle apparecchiature connesse con il cavo di alimentazione andrebbero in tensione con conseguente pericolo per gli utenti. Negli impinti TN c è la variante TN-S che consiste nell aggiunta di un quinto cavo (conduttore PE) connesso con la terra del trasformatore, ma diverso dal neutro (vedi figura 9.10). Nel caso di un guasto a terra, la situazione elettrica è analoga al caso precedente anche se in questa configurazione la corrente di guasto percorre il conduttore PE invece che il neutro N. Per comprendere il beneficio pratico di questa modifica occorre introdurre la protezione differenziale Protezione differenziale Con questo termine si indica un dispositivo elettromagnetico schematizzato come in figura 9.15: Fig.9.15 Se la corrente entrante I in è uguale alla corrente uscente Iout ovvero la sua differenza I I soglia, il flusso magnetico è praticamente nullo o insufficiente ad indurre una f.e.m. nella bobina Nc di comando dell interruttore. Quando I I soglia, l interruttore a monte del dispositivo riceve il comando di apertura. La I I soglia si può avere per due motivi: 1) c è una corrente di guasto a terra Ig 0 per cui I in In Ig, mentre Iout I in ; 2) esiste una corrente di circolazione nel corpo di un operatore, che 11

12 tocca o una fase o, in assenza di messa a terra, una carcassa metallica andata in tensione a causa della perdita d isolamento; 3) esiste una differenza tra I in e Iout perchè la lunghezza dei conduttori a valle del dispositivo è tale che le correnti derivate dalle capacità di servizio, sono dello stesso ordine di grandezza della corrente differenziale I. Nel primo caso chiaramente è evidente l importanza della protezione differenziale al fine di rispettare il livello di tensione di contatto entro il valore di 50 V! infatti è sufficiente che la resistenza del dispersore soddisfi la relazione: R d 50 I ad esempio se I 30mA R d può arrivare fino a 1660, un valore facilmente conseguibile con uno spandente qualsiasi. Nel secondo caso, la protezione differenziale è in grado di intervenire nei casi di folgorazione diretta (contatto umano con una fase) e indiretta (contatto umano con una carcassa metallica andata in tensione) nel caso di assenza di messa a terra nell impianto TT, purchè il valore di soglia sia I soglia 30mA. Questa eventualità è prevista dalla legge 46/90, applicabile agli impianti preesistenti al marzo La terza evenienza evidenzia il limite al di sotto del quale non si può scendere con la I in relazione all estensione dell impianto da proteggere. Chiarito il funzionamento della protezione differenziale è immediata la comprensione del motivo per cui nell impianto TN-S il quinto filo sia disgiunto dal neutro; infatti intorno al toroide fanno sentire il loro effetto le correnti delle tre fasi e del neutro, mentre il conduttore PE è esterno e quindi nel solo caso di folgorazione diretta la sommatoria delle quattro correnti non è più zero per cui può scattare l interrruttore di protezione. Si capisce facilmente che nel caso del TN-C non sarebbe possibile mai l inserimento di un salvavita Impianti IT L impianto IT è un impianto nel quale il trasformatore di alimentazione è connesso a terra tramite un impedenza molto elevata M mentre le masse metalliche presenti nell ambiente sono tutte messe a terra tramite un nodo equipotenziale. In figura 9.16 è riportata la configurazione tipica di una sala operatoria. 12

13 Fig.9.16 Nel caso di contatto di una fase con la carcassa metallica, la corrente di guasto è modestissima e tutte le carcasse vanno allo stesso potenziale. In questa evenienza è importante rendere noto l evento (con un segnale luminoso o sonoro) in quanto sarebbe pericoloso un secondo guasto a terra di un altra fase (corto circuito fase-fase attraverso il nodo equipotenziale: evento da evitare). Esistono in commercio alcuni UPS (sorgenti di energia non interrompibile) che hanno la stessa tipologia di alimentazione proprio per garantire la continuità del servizio in caso di primo guasto a terra di uno tra gli apparati alimentati in continuità assoluta. 9.5 Impianti elettrici utilizzatori Un impianto utilizzatore è l insieme dei circuiti di alimentazione degli apparecchi utilizzatori e delle prese a spina che stanno a valle di un punto di fornitura. Esistono impianti utilizzatori in media tensione, appartenenti alla categoria 2, ed impianti in bassa tensione appartenenti alla categoria 1. Il passaggio dalla media tensione (MT) alla bassa tensione (BT), avviene tramite cabine di trasformazione. Per utenze minori 100kW l ente distributore fornisce l energia elettrica in BT, se le potenze richieste sono superiori allora l energia viene fornita in MT. Nel punto di fornitura, sia in BT che in MT, è situato un quadro elettrico di fornitura che comprende l interruttore automatico generale onnipolare ed i contatori di misura dell energia elettrica 13

14 fornita. Fig Cabina di trasformazione Una cabina di trasformazione è strutturata come indicato in figura 9.18: Fig Quadri elettrici Sono armadi a cui arriva e da dui parte la corrente elettrica. In essi si trovano vari dispositivi di manovra, di protezione e di misura. I quadri elettrici possono essere di: - media tensione - bassa tensione, che a loro volta si dividono in: - power center - motor control center - quadri di zona - quadri locali e/o quadretti Tipologie di impianti utilizzatori Grandi utenze industriali Si richiedono potenze superiori ai 100 kw per cui la fornitura avviene in MT, quindi la distribuzione avviene in TN: e più precisamente TN-C fino ai quadri di zona e poi in TN-S; nelle figure 14

15 9.19 e 9.20 sono riportati degli schemi. Fig.9.19 Grandi utenze civili Negli edifici di grandi dimensioni come: complessi universitari, ospedali, scuole, banche, alberghi.., vengono utilizzati impianti TN: TN-C fino ai quadri di zona e poi in TN-S. Nella figura 9.21 è riportata anche la modalità di posa dei cavi. Fig

16 Fig.9.21 Piccole utenze In queste è richiesta una potenza modesta in bassa tensione, con distribuzione di tipo TT. Esempio di un quadro di distribuzione condominiale (figura 9.22). Fig.9.22 Esempio di un quadro di distribuzione all interno di una abitazione (figura 9.23). Fig.9.23 Come si nota dalla figura 9.18, l alimentazione monofase è ottenuta prelevando corrente tra fase e neutro, cercando di ottenere una ripartizione dei carichi tra le fasi, sufficientemente equilibrata. 16