ALLEGATO F 1. I problemi di risonanza nei collegamenti.

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1 ALLEGATO F 1 I problemi di risonanza nei collegamenti. Spesso si crede che grossi cavi di collegamento siano una buona soluzione per equalizzare il potenziale di offset tra aree diverse in insediamento, tra unità all'interno della "facility", tra insediamenti diversi, oppure tra tutte le locazioni suddette ed alcuni punti che fungono da nodi ai fini del "grounding". Tale approccio è ben fondato per alcune applicazioni alla frequenza fondamentale della rete di alimentazione (50 Hz) ma si rivela progressivamente meno efficace, e progressivamente più problematico e confuso al crescere della frequenza di disturbo. La Fig. F1 chiarisce tali aspetti e mette in evidenza come un collegamento può essere, talvolta, creduto come risolutivo del problema. Fig. F1

2 ALLEGATO F 2 Nel caso illustrato esiste una resistenza o impedenza tra le due aree in cui sono sistemati due equipaggiamenti elettronici. Questo mezzo di terra comune può essere, e spesso lo è, il suolo stesso. Qualunque corrente che viene forzata a fluire in tale mezzo genera una caduta di tensione IR + IZ, la quale causerà l'apparizione di un potenziale di offset tra le due aree. Ciò è proprio quanto non si desidera nel caso esistano cavi di collegamento dati/segnale tra le due aree. In questo caso di solito si è portati a pensare che installando, ad esempio, un cavo quadripolare di 750 ckmil ( 500 kcmil = 253,56 mmq) tra le due aree si equalizzi il potenziale. Tuttavia, ad installazione avvenuta ci si può aspettare che: 1) l'idea ha funzionato 2) le cose non sono cambiate 3) le cose vanno peggio Due possibilità su tre sono negative, e ciò non va bene. In aggiunta, perchè questa incertezza che pervade tutta la situazione? La buona pratica ingegneristica deve portare a migliori predizioni e ad un margine d'errore conosciuto. Di solito tutti questi sistemi di grounding sono visti con grande incertezza e grande trepidazione da coloro i quali sono incaricati della loro progettazione ed installazione. Non viene data al cliente nessuna reale assicurazione ma si ounta con grande enfasi solo alla parola "esperimento". Dal momento che nessun mistero dovrebbe circondare l'uso e l'applicazione del sistema di ground per potenza e segnale, si ritiene opportuno fare un tentativo per spiegare le problematiche che ne stanno dietro ed i principi che ne stanno alla base.

3 ALLEGATO F 3 In riferimento alla Fig. F1 ci si chiede: come è possibile realizzare buone prestazioni di collegamento da area ad area se non si è a conoscenza della sua resistenza ed impedenza ( cioe le caratteristiche del collegamento)? Naturalmente è facile verificare sulle tabelle standard i valori di impedenza e resistenza in DC e a 50 Hz e quindi applicarli al problema, ma che cosa succede se il disturbo o la sovratensione che causano la tensione di offset hanno la loro frequenza ad 1 MHz o 10 MHz o più? Le tabelle standard funzionano ancora? Evidentemente no! Una delle cose che accadono viene mostrata in Fig. F2, dove vengono considerati gli effetti della risonanza in alta frequenza. Gli ingegneri elettronici, di solito, si preoccupano della lunghezza dei cavi di collegamento, mentre gli ingegneri elettrotecnici sembrano essere più preoccupati dell'area della sezione dei collegamenti. Si può affermare che è lunghezza ( nello spazio libero) di un conduttore che determina la risonanza ad una data frequenza, e le risposte alle armoniche associate a tale frequenza. Fig. F2

4 ALLEGATO F 4 Aumentare l'area della sezione del conduttore ha ben pochi effetti nei confronti della sua frequenza di risonanza. Quando un conduttore come quello di Fig. F2 è un risonatore in λ/4 o ad armoniche multiple dispari, il conduttore appare come un circuito aperto virtuale visto da un capo all'altro. In termini elettrici esso si comporta più come un'antenna che non un conduttore di collegamento. Affinchè il conduttore sia efficace come mezzo di collegamento, è richiesto che la sua lunghezza sia inferiore ad almeno 1/20 della lunghezza d'onda λ relativa alla frequenza più alta alla quale si richiede la potenzialità ( cioè alla frequenza più alta del segnale di disturbo). Questa restrizione sulla lunghezza del collegamento, la maggior parte delle volte, contiene entro valori ragionevoli le escursioni di tensione e corrente che si hanno lungo il conduttore. Talvolta 1/20 di λ è ancora troppo: ciò in dipendenza della "noise sensitivity" del sistema elettronico associato. Un ventesimo della lunghezza d'onda λ è un valore comunemente accettato nella pratica. tale tipo di situazione imprevedibile è abbastanza comune nell'industria elettronica e può causare qualche disagio nei luoghi dove sono presenti i computers. Come conseguenza, nelle aree dove sono posti equipaggiamenti elettronici si tende, sempre di più, ad affidarsi ad un piano di riferimento ZSRG onde provvedere un mezzo di equipotenzialità non risonante che collega le unità piuttosto che utilizzare conduttori discreti ed isolati per i collegamenti. Ad esempio due aree elettroniche possono presentare problemi di disturbi quando sono intercomunicanti, cosicchè si decide di introdurre un grosso conduttore di collegamento quale mezzo per equalizzare il potenziale tra i due siti.

5 ALLEGATO F 5 Utilizzando un oscilloscopio, l'installatore verifica i livelli di rumore presenti alle due estremità dei sistemi elettronici. A seguito dell'inserimento del conduttore di collegamento si verifica che nessun ulteriore disturbo è stato introdotto, anzi è possibile intravederne una riduzione. Ciò genera una situazione dove il conduttore di collega,mento è visto o efficace o irrilevante ( in ogni caso esso viene mantenuto in posizione). Il conduttore può sembrare di aiuto! Ma quando un forte temporale si avvicina alla località ( e quindi possono cadere molti fulmini), frequentemente le logiche vengono danneggiate all'interno delle unità di interfaccia dati/segnale. Come mai? La suddetta situazione non è rara nè difficile da capire. Poichè il fulmine contiene molte componenti in alta frequenza, esso può portare alla risonanza conduttori di collegamento ( interrati o aerei) dedicati ad equalizzare il potenziale e quindi pilotare eventuali correnti o generare elevate tensioni in qualsivoglia delle due estremità. In questo caso è il nuovo conduttore di collegamento la causa del problema : e si viene a presentare un altro scenario di imprevedibilità! Collegare e mettere a terra senza le dovute considerazioni sulle caratteristiche ed il comportamento in AF del circuito è probabilmente come giocare alla "Roulette Russa" con il sistema elettronico come posta in gioco! Inoltre, è virtualmente impossibile utilizzare conduttori discreti più lunghi di qualche metro come mezzo di equalizzazione del potenziale in ambiente tipico di un moderno sistema elettronico ( viste anche le alte frequenze in gioco).

6 ALLEGATO F 6 La tecnica legata al piano di riferimento ZSRG, connesso efficacemente alla struttura metallica dell'edificio congiuntamente all'uso di dispositivi soppressori rappresenta lo stato dell'arte. Nel caso sia necessario comunicare tra due aree elettroniche ed esista la possibilità di potenziali di offest o correnti di "surge" sulle linee dati/segnali, la soluzione è mostrata in Fig. F3. Fig. F3 In tale figura ciascun sistema elettronico è posto su un piano ZSRG, interfacciato all'alimentazione AC attraverso un trasformatore di isolamento con schermo elettrostatico ( il cui filo di neutro al secondario è collegato a terra sullo ZSRG ed è conforme a tutti i requisiti normativi di sicurezza per il grounding) ed è inoltre interfacciato con i cavi dati/segnale dell'altra area attraverso soppressori di transienti connessi sempre al piano ZSRG.

7 ALLEGATO F 7 In questo esempio, come illustrato, non viene fatto nessun tentativo ( futile) di equalizzare il potenziale tra le due aree, ma le logiche dei due sistemi su ambedue i punti di interfaccia sono protette dalle sovratensioni e dai disturbi attraverso livelli di "clamp" della rete dei soppressori ( livelli che sono ben al di sotto della soglia di pericolo delle logiche). Durante condizioni di sovratensione o alti livelli di rumore (fulmini) la trasmissione dati/segnale può essere momentaneamente inaffidabile,.a il tutto sarà "recoverable" alla fine del disturbo e dopo il ripristino dei soppressori. E' da notare che il tentativo di un trasferimento affidabile di dati senza una fase di "retry" (inviare una sola volta e sperare che vada bene) è una ben scadente metodologia in tale tipo di ambiente.

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