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1 1 IMPIANTI DI MESSA A TERRA 1

2 2 IMPIANTI DI MESSA A TERRA INTRODUZIONE Il momento più opportuno per iniziare l installazione dell impianto di messa a terra coincide con le fasi di scavo delle fondamenta. Infatti, in questo momento, sono presenti le scavatrici in cantiere utilizzabili proficuamente anche per gli sterri inerenti alla realizzazione del dispersore. Sia esso del tipo a picchetti o a corde. Inoltre se il dispersore è installato in questa fase, può essere immediatamente utilizzato per la messa a terra delle macchine di cantiere e successivamente collegato ai ferri di armatura delle strutture in cemento armato ; con il procedere dei lavori risultano facili anche gli altri collegamenti equipotenziali ( tubi dell acqua, del riscaldamento, ecc. ) e il collettore di terra si completa gradualmente facendo capo ad alcuni punti di attacchi, predisposti in prossimità del quadro generale e all origine dei vani scale. La rete dei conduttori di protezione viene solitamente installata nella fase di posa delle condutture di alimentazione. Purtroppo, se l impianto di terra viene iniziato con l edificio già finito al rustico, risulta spesso impossibile ottenere la necessaria efficienza; infatti non solo non sono più accessibili i ferri di armatura delle strutture in cemento armato, ma l area disponibile per il dispersore risulta in genere notevolmente ridotta. 2

3 3 IMPIANTI DI MESSA A TERRA COMPONENTI DI UN IMPIANTO DI TERRA Impianto con dispersori a picchetti Un impianto di terra si compone essenzialmente di quattro parti che è necessario distinguere per la corretta applicazione delle Norme: Il dispersore che costituisce la parte posta in intimo contatto con il terreno con lo scopo di disperdere la corrente Il collettore principale di terra MT al quale sono collegati tutti i conduttori di seguito considerati I conduttori di terra CT che collegano tra loro il dispersore, le armature di calcestruzzo, ecc., ed il collettore principale di terra I conduttori di protezione che collegano al morsetto di terra generale tutti gli involucri metallici degli utilizzatori Inoltre si possono considerare come parte complementare dell impianto di messa a terra anche i collegamenti equipotenziali. 3

4 4 IMPIANTI DI MESSA A TERRA IL DISPERSORE A PICCHETTI Efficienza di un dispersore Per poter avere le idee chiare sulla realizzazione di un dispersore a picchetto, è necessario ricordare gli elementi che influiscono sulla sua influenza. L efficienza va intesa come bassa resistenza di terra, cioè come capacità di disperdere correnti più intense possibili con tensioni più basse possibili. Molti pensano che la resistenza di terra sia essenzialmente concentrata sulla superficie di contatto tra dispersore e terreno e che semplicemente aumentando questa superficie o migliorando il contatto si possa diminuire, in proporzione, la resistenza di terra: questo concetto è radicalmente sbagliato ed è all origine di molti malintesi e di molte delusioni alle prove dei fatti. In realtà l efficienza di un dispersore dipende da un complesso di fattori, tra i quali i più importanti sono: La resistività media del terreno La lunghezza di ciascun picchetto Il volume del dispersore di ciascun picchetto Il numero dei picchetti collegati in parallelo L eventuale influenza delle corde di collegamento dei picchetti Resistività media del terreno La resistività media del terreno, estesa a tutto il volume di dispersione, rappresenta la maggiore incognita in quanto estremamente variabile con la natura del terreno, con l umidità, con la quantità di sali disciolti e anche con la temperatura ( specie se vicino ai punti di congelamento). Maggiore è la resistività del terreno e maggiore, a parità di altre condizioni, sarà la resistenza di terra; questa dipendenza si manifesta con una proporzionalità diretta, nel senso che se raddoppia la resistività raddoppierà anche la resistenza di terra a parità di altre condizioni. L incognita della resistività può essere sciolta solo parzialmente ricorrendo a misure con strumenti di facile impiego che possono rilevare la situazione in profondità e la presenza nel terreno di elementi conduttori sia naturali ( falda d acqua) sia artificiali ( tubazioni interrate). 4

5 5 IMPIANTI DI MESSA A TERRA Lunghezza del picchetto R T ρ 2L 4L ln π L d d = 2 2 La lunghezza di ciascun picchetto influenza positivamente l efficienza, nel senso che la resistenza è tanto minore quanto più il picchetto è lungo. La difficoltà più rilevante all uso di picchetti molto lunghi, sta nella tecnica d infissione, poiché oltre i 2 o 3 metri si richiede l uso di attrezzature, non sempre reperibili sul posto. Meno rilevante è invece il diametro d del picchetto, in quanto la resistenza dipende dal logaritmo di queste grandezze, come si può rilevare dalla formula teorica sopra riportata. E abbastanza influente sulla resistenza anche la profondità di infissione del picchetto; infatti se esso fosse interrato a grandi profondità, sarebbe disponibile un campo di dispersione di volume doppio rispetto a quello considerato nel caso teorico di figura e di conseguenza, in queste condizioni la resistenza si dimezzerebbe. Approssimativamente per una profondità di infissione H, la resistenza di un picchetto diventa R H = R T 1 2 L + L + H Dove R T è la resistenza teorica del picchetto infisso a filo del terreno. Per infissioni alla profondità di 0,5 metri ( minimo previsto dalla NORMA) la resistenza di un picchetto può essere ricavata dalla tabella 2, in fondo al fascicolo, i cui valori teorici sono stati elaborati con il computer, tenendo conto, oltre che della teoria, anche di opportuni fattori correttivi. 5

6 6 IMPIANTI DI MESSA A TERRA Il volume di dispersione Il volume di dispersione disponibile per ciascun picchetto è anch esso di importanza fondamentale : infatti la zona di dispersione di 1 picchetto ( zona entro la quale il terreno disperde totalmente la corrente e oltre la quale la tensione torna a zero) misura all incirca un raggio circostante di m. Tale zona cresce con la lunghezza del picchetto, ma non in proporzione diretta come rilevabile dalla figura: Numero di picchetti collegati in parallelo Se si vuole sfruttare pienamente la possibilità di dispersione di un picchetto, bisogna ovviamente infiggerlo fuori dalla zona di influenza di dispersione di quello vicino, cioè in terreno a potenziale nullo. Questa interdistanza dovrebbe essere in teoria intorno ai metri. In pratica però, si possono già considerare ottime interdistanze dell ordine di metri. Al disotto di questi valori ultimi, si perderà notevolmente in efficienza nel senso che per esempio 2 picchetti da 10 ohm ciascuno forniranno complessivamente una resistenza di 7 ohm invece di 5 ohm. Infiggendo poi i picchetti molto vicini ( 2-3 metri) non si ottengono praticamente effetti apprezzabili della efficienza complessiva del dispersore. Il numero dei picchetti collegati in parallelo influisce quindi positivamente sulla resistenza solo se le interdistanze sono sufficienti. Solo nel caso a) di figura, l efficienza cresce in proporzione diretta con il numero dei picchetti, nel senso che con 2 picchetti la resistenza si dimezza, con 4 si riduce a 1/4, ecc 6

7 7 IMPIANTI DI MESSA A TERRA Influenza della corda I picchetti solitamente sono interconnessi da corde interrate che, nel caso non siano isolate, si comportano, esse stesse, come dei dispersori. Si deve però considerare che l influenza benefica della corda diminuisce con il diminuire dell interdistanza dei picchetti, per le stesse ragioni viste in precedenza. Si può quindi concludere che usando i normali picchetti da 1,5 2 metri, interrati a mezzo metro di profondità, l interdistanza ottimale, considerando anche la corda, può essere di metri. Possono dare ancora buoni risultati interdistanze di 8 10 metri, mentre al disotto di 3 4 metri in effetti si spreca solo materiali, senza ottenere apprezzabili diminuzioni della resistenza del dispersore. ALTRI TIPI DI DISPERSORI Dispersore ad anello Da considerazioni del tutto logiche, è facile dedurre che le corde interrate orizzontalmente, a parità di lunghezza, è meno efficace del picchetto infisso verticalmente, sia per il minor diametro che per.la differente conformazione del campo di dispersione. Tuttavia, data la semplicità di posa, questi tipi di dispersori sono largamente usati: lungo il perimetro interessante la costruzione di fabbricati viene interrata una corda alla profondità di 0,5 metri. Anche in questo caso si deve tener presente che l efficienza può considerarsi proporzionale alla lunghezza della corda solo se le interdistanze fra due lati paralleli sono dell ordine di metri. Dispersori complessi Si possono realizzare anche dispersori complessi quali ad esempio un anello integrato da alcuni picchetti. Questo sistema può risultare efficace quando si vogliono sfruttare meglio anche gli strati profondi del terreno. E invece scarsamente adottato negli impianti elettrici utilizzatori con sistema TT a 220 / 380 V il dispersore a maglia perché costoso in relazione ai risultati che si possono ottenere; infatti la resistenza di terra non dipende tanto dalle lunghezze complessive delle corde formanti la maglia quanto dall area interessata. 7

8 8 IMPIANTI DI MESSA A TERRA Acquedotto come dispersore La Norma CEI 64-8/5 all art fornisce gli elementi utili al fine di poter utilizzare le tubazioni metalliche degli acquedotti come dispersore soltanto con il consenso dell esercente dell acquedotto e se vengono date adeguate disposizioni in base alle quali il responsabile degli impianti elettrici venga informato di ogni modifica che si intende apportare alle tubazioni dell acquedotto. ( Le tubazioni metalliche per liquidi o gas infiammabili non devono essere usate come dispersori ) Due sono in alternativa le possibilità che possono fornire gli acquedotti urbani: Come unico dispersore vero e proprio ; quando cioè le tubazioni presentano valori di resistenza sufficientemente bassi. Come dispersore ausiliario in aggiunta al dispersore a picchetti e corde; per quest ultimo impiego ci si affida all efficienza del dispersore principale. Perciò, all atto della verifica della resistenza di terra, la misura dovrà essere effettuata prima del collegamento all acquedotto. Successivamente, la connessione elettrica, all acquedotto porterà ad una sicura riduzione della resistenza di terra complessiva. Il collegamento dovrà comunque essere effettuato a monte del contattore idraulico, oppure immediatamente a valle ma predisponendo un cavallotto in corda di rame o acciaio zincato, in modo che si stabilisca il collegamento elettrico con le tubazioni interrate a monte del contatore. COMPONENTI PER DISPERSORI Caratteristiche costruttive I dispersori per essere conformi a quanto prescritto dalla Norma CEI 64-8/5 devono essere costruiti con elementi sufficientemente robusti e resistenti all usura. Qualora si usino materiali ferrosi non protetti da trattamenti galvanici, la sezione minia richiesta è di 100 mm 2. Il dispersore dovrà avere alcuni punti accessibili, oltre che per il collegamento dei conduttori di terra, anche per misure totali o parziali da ripetersi periodicamente. E bene che tutti questi punti e tutti questi morsetti siano contrassegnati con l apposito simbolo di terra. 8

9 9 IMPIANTI DI MESSA A TERRA Dimensioni minime raccomandate dei dispersori Per posa nel terreno Tipo di elettrodo Dimensioni Acciaio Zincato a caldo Acciaio rivestito di rame Rame Piastra Spessore (mm) 3-3 Nastro Spessore (mm) Sezione ( mm 2 ) Tondino o conduttore massiccio Sezione ( mm 2 ) Conduttore cordato Ø ciascun filo (mm) Sezione corda ( mm 2 ) ,8 35 Per infissione Picchetto a tubo Ø esterno (mm) Spessore ( mm) nel terreno Picchetto massiccio Ø (mm) Picchetto in profilato Spessore (mm) Dimensione trasversale ( mm)

10 10 IMPIANTI DI MESSA A TERRA CONDUTTORI DI PROTEZIONE ( Norma CEI 64-8/5 art.543) Sezioni minime I conduttori di protezione collegano le masse al collettore o nodo principale di terra. Questi conduttori, pur non essendo normalmente attraversati da corrente, devono avere una opportuna sezione per poter sopportare sia le sollecitazioni termiche dovute ad eventuali correnti di guasto, sia le sollecitazioni meccaniche che si verificano durante la posa in occasione di lavori successivi. A tale scopo le norme CEI fissano le dimensioni minime con il criterio di conferire all impianto di terra una consistenza equivalente a quella dell impianto di alimentazione. Si deve infatti considerare che la corrente di guasto a terra interessa sempre anche un conduttore di fase per il quale è prevista anche la protezione da massima corrente. Le Norme stabiliscono che la sezione dei conduttori di protezione può essere determinata attraverso la seguente tabella: Sezione del conduttore di fase dell impianto S F ( mm 2 ) 16 Sezione minima del corrispondente conduttore di protezione S p ( mm 2 ) S F = S p 16 SF S F > 35 S p = S F / 2 N.B. La sezione di ogni conduttore di protezione che non faccia parte della conduttura di alimentazione non deve essere, in ogni caso, inferiore a: 2,5 mm 2 se è prevista una protezione meccanica 4 mm 2 se non è prevista una protezione meccanica 10

11 11 IMPIANTI DI MESSA A TERRA COLLEGAMENTI EQUIPOTENZIALI Strutture edili Al fine di ridurre le tensioni di contatto soprattutto in caso di inefficienza dei dispositivi di interruzione del guasto a terra, tutte le masse metalliche di notevole estensione accessibili vanno collegate tra loro e messe a terra: queste connessioni prendono il nome di collegamenti equipotenziali. Negli edifici ad uso residenziale sono da considerare principalmente i collegamenti equipotenziali nei bagni e nelle docce e quelli tra dispersore ed armature del calcestruzzo. Per quanto riguarda le tensioni di contatto Vc, cioè la tensione che si manifesta tra la mano e il piede di chi tocca un involucro in tensione, si deve osservare che la semplice messa a terra degli involucri contenente parti elettriche non ha alcuna efficacia se la corrente di guasto non è interrotta tempestivamente. Infatti l uomo con una mano sull involucro ed i piedi sul pavimento a tensione nulla, si trova in parallelo alla resistenza di terra che, essendo molto maggiore di tutte le impedenze comprese nel circuito, presenta ai suoi capi anche la maggior parte dell intera tensione. Anche con resistenza di terra dell ordine dell OHM, la situazione non migliora perché le restanti impedenze del circuito ( R L +R G +Z t ) non superano in genere qualche centesimo di OHM; ne consegue che la tensione di contatto Vc risulterà sempre di poco inferiore ai 220 V. Se invece il pavimento e le pareti circostanti fossero, per ipotesi, perfettamente conduttori, collegando queste strutture al dispersore di terra assieme all involucro metallico pericoloso, si realizzerebbe una situazione di assoluta sicurezza; infatti tra piede e mano, in contatto tra due parti perfettamente equipotenziali ( perché collegate tra loro da un conduttore di resistenza trascurabile) la tensione di contatto sarebbe in ogni circostanza nulla. Pareti e pavimenti in realtà non sono buoni conduttori; tuttavia ci si può avvicinare a questa condizione ideale di sicurezza collegando al dispersore i ferri d armatura del calcestruzzo e ogni altra struttura metallica estesa ( tubazioni d acqua, del riscaldamento, scarichi, ecc.) Realizzando questi collegamenti equipotenziali, si ottiene inoltre l effetto di diminuire la resistenza complessiva di terra e quindi di aumentare la efficienza del sistema di protezione. Inoltre va aggiunto che, se nel sistema TT i collegamenti equipotenziali sono importanti, nel sistema TN, in alcune situazioni, divengono essenziali per la sicurezza dell impianto elettrico. 11

12 12 IMPIANTI DI MESSA A TERRA Giunzioni di elementi CONDUTTORI DI TERRA Caratteristica di posa Sezione mm 2 Protetto contro la corrosione ma non meccanicamente Non protetto contro la corrosione 16 ( Cu) 16 ( Fe) 25 (Cu) 50 (Fe) 12

13 13 IMPIANTI DI MESSA A TERRA CONDUTTORI EQUIPOTENZIALI PRINCIPALE EQP Sezione conduttore protezione principale PE mm 2 PE < 10 PE = 16 PE = 25 PE > 35 SUPPLEMENTARE EQS Sezione conduttore equipotenziale EQP mm 2 EQP = 6 EQP = 10 EQP = 16 EQP = 25 Collegamento Massa Massa Collegamento Massa Massa estranea Collegamento Massa estranea Massa estranea EQS al PE di sezione minore EQS a 1/2 della sezione del corrispondente PE EQS 2,5 mm 2 con prot. meccanica EQS 4 mm 2 senza prot. meccanica Massa: parte conduttrice facente parte dell impianto elettrico, che non è in tensione in condizione ordinarie di isolamento ma che può andare in tensione in caso di cedimento dell isolamento principale e che può essere toccata ( boiler, elettrodomestici, ecc.). Massa estranea : parte conduttrice non facente parte dell impianto elettrico, suscettibile di introdurre il potenziale di terra ( acquedotto, gronde, ecc.) 13

14 14 IMPIANTI DI MESSA A TERRA VALORI ORIENTATIVI PER IL DIMENSIONAMENTO DEL DISPERSORE A PICCHETTI E AD ANELLO E praticamente impossibile progettare in modo preciso le caratteristiche di un dispersore a causa della difficoltà pratica di valutare tutti i parametri che influiscono sul fenomeno della dispersione. Ci si deve accontentare di una valutazione approssimativa che consenta almeno un preventivo di massima e la scelta degli apparecchi destinati ad interrompere la corrente di guasto a terra, mediante l utilizzo delle tabelle seguenti. RESISTENZA SPECIFICA DEL TERRENO La resistività o resistenza specifica caratterizza il comportamento elettrico del terreno. E un dato essenziale per poter valutare la resistenza degli elementi dispersori. Dipende essenzialmente dalla natura fisico chimica del terreno ed è largamente influenzata dalle condizioni meteorologiche. Roccioso Sabbia Ghiaia Vegetale Argilloso Sabbia marina Terreno % acqua Resistività in ohm secco Fino al 10% ,5 normale % ,6 umido % ,3 bagnato oltre TABELLA 1 TEMPERATURA Sopra 0 C la resistività può considerarsi sensibilmente costante. Sotto 0 C si hanno invece forti aumenti del % e più Ne consegue la necessità di installare il dispersore sotto il livello di congelamento ( almeno 0,5 metri sotto il piano di campagna) 14

15 15 IMPIANTI DI MESSA A TERRA RESISTENZA DEL SINGOLO PICCHETTO La resistenza del singolo picchetto infisso verticalmente in un terreno omogeneo a potenziale nullo, cioè a sufficiente distanza da latri dispersori, dipende in modo complesso, oltre dalla resistività, anche dalla lunghezza, dal diametro e dalla profondità di infissione. TABELLA N.2 Resistività del terreno in Ω metri L Ø , , , RESISTENZA DI TERRA IN Ω 15

16 16 IMPIANTI DI MESSA A TERRA CONTINUA TABELLA 2 Resistività del terreno in Ω metri L Ø RESISTENZA DI TERRA IN Ω 16

17 17 IMPIANTI DI MESSA A TERRA DISPERSORE A PICCHETTI CON RESISTENZA DI 20 Ω Utilizzando per l interruzione del guasto interruttori automatici differenziali sia a bassa che ad alta sensibilità e tenendo conto anche delle prescrizioni antinfortunistiche ( DPR 547 ) risultano in ogni caso adeguati i dispersori con resistenza non superiore a 20 Ω. La tebella 3 fornisce il numero di picchetti atti a formare il dispersore da 20 Ω in funzione della resistenza di un picchetto ( deducibile dalla tabella 2) e della interdistanza ( questo numero è da intendersi indicativo). In corrispondenza della riga X è indicato il numero minimo teorico di picchetti occorrenti in caso di interferenza trascurabile, cioè per interdistanze superiori a m. Non è stata considerata la dispersione della corda di interconnessione. TABELLA 3 RESISTENZA UNITARIA DI 1 PICCHETTO INTERDISTANZA FRA PICCHETTI X NUMERO DEI PICCHETTI Esempio: Picchetti lunghi 2 m, diametro 48 mm, terreno con resistività 150 Ωm Dalla tabella 2 si ricava una resistenza unitaria di 54,9 Ω. La tabella 3 indica in corrispondenza della resistenza unitaria di 60 Ω una consistenza di 5 picchetti interdistanti 7,5 m oppure di 4 picchetti interdistanti 10 m. 17

18 18 IMPIANTI DI MESSA A TERRA DISPERSORI A PICCHETTI CON RESISTENZE BASSE Utilizzando per l interruzione del guasto piccoli interruttori automatici magnetotermici, occorrono dispersori a bassa resistenza. La tabella 4 fornisce il numero di picchetti atti a formare dispersori da 0,3 a 3 Ω in funzione della resistenza unitaria di 1 picchetto ( deducibile dalla tabella 2) e della interdistanza. L interdistanza X ( m) corrisponde alla situazione teorica di interferenza trascurabile. TABELLA 4 A RESISTENZA UNITARIA DI UN PICCHETTO RESISTENZA COMPLESSIVA RT ( COMPLESSO DEI PICCHETTI ) D INTERDISTAN ZA PICCHETTI X NUMERO DEI PICCHETTI ESEMPIO RT da ottenere 1,5 Ω; resistenza unitaria del picchetto 35 Ω ( vedi tabella 2), con interdistanza di 10 m occorrono ben 49 picchetti. 18

19 19 IMPIANTI DI MESSA A TERRA DISPERSORI AD ANELLO I dispersori ad anello si realizzano circondando l edificio con una corda interrata a profondità non inferiore a 0,5 m. Come si vede dai valori indicati in tabella 5 si possono avere solo in casi particolarmente favorevoli resistenze basse ( 3 0,7 ohm) da consentre l impiego di piccoli interruttori automatici non differenziali per l interruzione del guasto. TABELLA 5 RESISTENZA COMPLESSIVA RT RESISTIVITA DEL TERRENO IN Ωm DIAMETRO CORDA Ø PERIMETRO DELL ANELLO in metri ESEMPIO Sviluppo perimetrale 100 metri; corda Ø 16; resistività del terreno 100 Ω. Si ottiene approssimativamente una RT di 4,5 Ω. Si noti che raddoppiando la lunghezza della corda ( 200 m) la resistenza si riduce a poco più della metà ( 2,5 Ω invece di 2,25 Ω ) 19

20 20 IMPIANTI DI MESSA A TERRA TABELLA 6 GRADO DI PROTEZIONE CONTRO LA PENETRAZIONE DI CORPI ESTRANEI CEE IEC SEGNO GRAFICO GRADO DI PROTEZIONE 1 PROVA Una sfera di diametro 50 mm non deve passare attraverso l involucro e non deve comunque toccare parti sotto tensione 2 Il dito di prova non deve comunque toccare parti sotto tensione. Inoltre una sfera di 12 mm di diametro non deve passare attraverso l involucro Un filo di diametro 2,5 mm non deve passare attraverso l involucro Un filo di diametro 1 mm non deve passare attraverso l involucro La quantità di polvere che entra nell apparecchio non deve essere superiore ad un quantitativo specificato La prova precedente non deve dar luogo a depositi visibili di polvere all interno dell apparecchio 20

21 21 IMPIANTI DI MESSA A TERRA TABELLA 7 GRADO DI PROTEZIONE CONTRO LA PENETRAZIONE DI LIQUIDI CEE IEC SEGNO GRAFICO GRADO DI PROTEZIONE PROVA 1 Protezione contro la caduta di gocce verticale 2 Protezione contro la caduta di gocce con inclinazione max di 15 3 Protezione contro la pioggia 4 Protezione contro gli spruzzi 5 Protezione contro i getti 6 Protezione contro le ondate 7 Protetto per la immersione. 8 Protetto per la immersione per tempo indefinito e profondità da specificare ( sommersione) 21