I sistemi di collegamento a terra in Italia e nel mondo Principi informatori, evoluzione storica e confronti Autore: Luigi Longari

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1 I sistemi di collegamento a terra in Italia e nel mondo Principi informatori, evoluzione storica e confronti Autore: Luigi Longari 1. Premessa Nei paesi industriali, il neutro e le masse degli impianti (distribuzione pubblica e impianti utilizzatori) vengono collegati a terra per fronteggiare il pericolo causato dalla corrente elettrica e per la salvaguardia e la sicurezza delle persone, cose ed animali. Gli obiettivi sono identici per tutti i paesi del mondo: limitare il potenziale dei conduttori attivi per rapporto alla terra nel normale funzionamento; contenere, nel caso di difetto di isolamento, le tensioni tra le masse e la terra; consentire l intervento dei dispositivi di protezione per l eliminazione del guasto a terra; limitare la crescita del potenziale dovuto ai guasti di originati dalla rete a media tensione; contenere la crescita del potenziale, quando il fulmine interessa l installazione o la rete di alimentazione. I primi tre obiettivi riguardano il campo dello schema di collegamento a terra della bassa tensione, mentre il quarto rientra in quello della media tensione, il quale può avere effetti non trascurabili per la sicurezza a causa dei potenziali trasferiti alla bassa tensione per accoppiamento capacitivo e galvanico. I sistemi di distribuzione sono definiti dal sistema dei conduttori attivi (monofase o trifase) ed in funzione del loro modo di collegamento a terra. Le modalità di connessione a terra riguardano: 1. il neutro dei sistemi trifasi che può essere: messo a terra isolato da terra 2. le masse delle installazioni. Lo schema di collegamento a terra viene definito tramite due lettere distinte: I a lettera relativa alla situazione del sistema di alimentazione verso terra Sono previste due opzioni: 1 a T = collegamento a terra di un punto ( normalmente il conduttore neutro) 2 a - I = isolamento da terra oppure collegamento a terra tramite impedenza II a lettera relativa alla situazione delle masse verso terra Sono previste due opzioni: 1 a T = masse collegate direttamente a terra 2 a N = masse collegate al neutro messo a terra Sono previste eventuali lettere successive : S = funzioni di neutro e di protezione svolte da conduttori separati C = funzioni di neutro e di protezione svolte da un unico conduttore ( conduttore PEN ) 1

2 2. I sistemi di collegamento a terra in Italia e nel mondo Attualmente sono utilizzati nel mondo i seguenti schemi di connessione del neutro e delle masse a terra: Neutro e masse connessi a terra separate TT (figura 1) Fig. 1 - Sistema TT Neutro e masse connessi al medesimo impianto di terra TN nelle opzioni TN-C (figura 2), TN-S (figura 3) e combinato TN-C-S (figura 4) Fig. 2 - Sistema TN-C 2

3 Fig. 3 - Sistema TN-S Fig. 4 - Sistema TN-C-S 3

4 Neutro isolato e masse connesse a terra IT (figura 5) Fig. 5 Sistema IT Questi tre schemi hanno la medesima finalità al riguardo della protezione delle persone e dei beni e cioè il controllo e la limitazione degli effetti dovuti ai guasti degli isolamenti nelle masse; inoltre sono da considerarsi equivalenti sul piano della sicurezza per le persone e animali contro i contatti diretti ed indiretti. In Italia il sistema più diffuso è il sistema di tipo TT in quanto riservato agli impianti alimentati in bassa tensione dal distributore pubblico. Il sistema di tipo IT risulta scarsamente impiegato, mentre il sistema di tipo TN è utilizzato presso gli utenti dotati di propria cabina di trasformazione; infatti l impianto di terra è unico, poiché è impossibile e non conveniente realizzare due impianti di terra indipendenti (uno per la messa a terra del centro stella del trasformatore e l altro per la messa a terra delle masse). La situazione nelle altre parti del mondo delle pratiche tecniche maggiormente utilizzate si evince dalla tabella 1. Le motivazioni di questa pluralità di indirizzi ha origine dalle differenti situazioni della tecnologia impiantistica e dai diversi processi di sviluppo ed evoluzione della tecnica degli impianti elettrici nei vari paesi. In certi casi hanno avuto una influenza decisiva le scelte fatte nei primi tempi dello sviluppo su larga scala degli usi civili dell elettricità. NAZIONE Reti distribuzione pubblica BT (regime del neutro) 4 Impianti utilizzatori alimentati in bassa tensione Impianto di terra specifico GERMANIA TN-C TN-C e TT si AUSTRALIA TN-C TN-C si GIAPPONE TT TT si REGNO UNITO TN-C TN-C o TN-S no STATI UNITI TN-C TN-C o TN-S si IRLANDA TN TT si BELGIO TT TT si SVIZZERA TN TN-C o TN-S si FRANCIA TT TT si CINA TT TT si SPAGNA TT TT si PORTOGALLO TT TT si NORVEGIA IT IT no

5 ITALIA TT TT si Tab. 1 Le pratiche internazionali sulla messa a terra delle reti di distribuzione e negli impianti utilizzatori nel mondo 3. Evoluzione storica Le prime scelte delle modalità di protezione contro i contatti accidentali nasce dall analisi e dalla individuazione dei provvedimenti di sicurezza contro i contatti accidentali, ovviamente strettamente legate agli studi ed alle conoscenze degli effetti della corrente elettrica nel corpo umano e delle relative soglie di pericolosità. All inizio dell impiantistica elettrica la misura precauzionale principe fu l isolamento verso terra, anche con sovradimensionamenti; poi venne attuata la pratica dei collegamenti con la massa terrestre (messa a terra) delle carcasse metalliche degli apparecchi (ora denominate masse), dapprima per le situazioni particolari e poi generalizzata; infine la messa a terra fu integrata dalle misure di protezione di tipo attivo (apertura automatica del circuito) e di tipo passivo (controllo delle tensioni di contatto e di passo, componenti a doppio isolamento, separazione elettrica dei circuiti, luoghi non conduttori). Il sistema TT era diffuso in tutto il mondo fino agli anni 50 del secolo passato, integrato, in alcune nazioni, con il sorvegliatore di isolamento con lampade di sgnalazione, con il relè di tensione e con la valvola di tensione. La messa a terra avvenne con l esecuzione di un impianto di dispersione specifico oppure con il collegamento delle masse ad altri sistemi disperdenti (ad esempio tubazioni metalliche degli acquedotti). Poi alcuni paesi optarono per la messa al neutro, facilitati dalla estensione della rete di distribuzione dell acqua (era consentito e imposto l utilizzo come dispersore di terra), ottenendo simultaneamente il vantaggio delle terre multiple lungo il percorso della linea e della sezione rilevante del conduttore di protezione (misure fondamentali per il contenimento delle tensioni assunte dal neutro). La messa a terra avvenne tramite il collegamento al neutro del distributore (messo a terra lungo la linea o nella cabina di trasformazione) direttamente oppure con la predisposizione di un impianto di terra singolo. I distributori delle varie nazioni (allora non esistevano le Norme IEC e CENELEC) concepirono in modo diverso il sistema di distribuzione mantenendo ad esempio in Italia, Francia, Belgio, Olanda, Danimarca il sistema TT ed adottando, in Germania, Austria, Regno Unito, Svezia, Svizzera, USA, la messa al neutro (in talune nazioni era anche consentito connettere al neutro le masse senza conduttore di protezione e senza impianto di terra dell impianto utilizzatore). Ogni nazione fece le sue scelte in relazione alle situazioni contingenti ed oggettive concernenti lo stato degli impianti, le regole di esecuzione e di esercizio, la qualità delle installazioni, la disponibilità dei componenti presenti sul mercato (gli scambi commerciali allora erano ridotti) e la minore o maggiore sensibilità al problema delle imprese distributrici di energia elettrica, che giocarono un ruolo importante soprattutto in fase di redazione delle normative. In Italia non è stato adottato il Sistema TN, a differenza di altri paesi, soprattutto per i vincoli imposti dai distributori di energia, in quanto la sicurezza era affidata all impianto di terra (allora vigeva la regola dei 20?? imposta dal DPR 547/55) e successivamente all interruttore differenziale. Inoltre la situazione degli impianti utilizzatori, soprattutto quelli ad uso civile, ha avuto un peso rilevante nelle scelte (molti non erano dotati di impianto di terra e di conduttore di protezione); è stato dirottato l interesse verso il differenziale, perché agevolmente applicabile senza onerosi rifacimenti e con modesti aggravi economici. Nei paesi ove si è optato per il TN, ovviamente per gli impianti non dotati di cabina di trasformazione, l evento è stato determinato anche dal fatto che non esisteva ancora l interruttore differenziale (alcuni stati utilizzavano il relè di tensione) e pertanto per ottenere una adeguata protezione contro i contatti accidentali dell utilizzatore, alimentato in BT, era indispensabile tramutare il guasto franco a terra in un guasto a bassa impedenza (cortocircuito), per determinare l intervento della protezioni contro le sovracorrenti: si dovette necessariamente collegare le masse al neutro del distributore. Nel sistema TN l efficacia della protezione e la sicurezza dell utilizzatore dipende essenzialmente dalla rete di alimentazione; se la gestione e la responsabilità del sistema di distribuzione a bassa tensione e dell impianto utilizzatore confluiscono in una unica entità non esistono problemi per garantire i requisiti indispensabili per la sicurezza (esempio impianti utilizzatori alimentati con propria cabina di trasformazione); viceversa, sono invece presenti problemi di interfaccia e di responsabilità tra le varie competenze con possibile innesco di contenziosi. Infatti il neutro in determinate condizioni può assumere verso terra tensioni pericolose a causa di: un guasto a terra sul lato MT nella cabina di trasformazione; un guasto a terra sulla rete a bassa tensione; l interruzione del conduttore neutro (accidentale o per intervento dei fusibili) (figura 6) un contatto accidentale tra fase e neutro; correnti di squilibrio rilevanti. 5

6 Tensione Un m Fig. 6 Sistema TN-C : Ipotesi di interruzione del neutro (PEN). Profilo delle tensione assunta dal neutro Per contenere le tensioni pericolose la sicurezza dipende sia dal Distributore (deve garantire il neutro ossia che non assuma potenziali pericolosi, poiché si trasferiscono alle masse), nonché dall Utilizzatore in pratica dall installatore elettrico e cioè rispetto prescrizioni delle Norme sul collegamento equipotenziale, sui limiti dei valori d impedenza dell anello guasto, nella scelta della tipologia e delle caratteristiche di intervento dei dispositivi di protezione e soprattutto nella competenza professionale. In Italia i distributori di energia non presero l onere e la responsabilità di garantire a tutti i loro utenti la necessaria sicurezza poiché, data l anarchia vigente nella costruzione degli impianti, l inesistenza dei controlli, le omissioni ed elusioni nella applicazioni delle norme in quanto non obbligatorie, poteva sussistere l eventualità di un coinvolgimento diretto in caso di infortunio, anche per eventi pericolosi originati dagli utenti stessi (la legge di riconoscimento della regola dell arte per la realizzazione degli impianti elettrici e conseguentemente delle norme CEI è la legge 186 emanata nel 1968, mentre quella della sicurezza degli impianti elettrici è stata emanata addirittura nel 1990 legge 46/90 ). Inoltre in quel periodo l interruttore differenziale si stava imponendo sul mercato ed era disponibile in adeguate quantità e pertanto i distributori organizzarono campagne di informazione e sensibilizzazione per promuovere e pubblicizzare la sicurezza elettrica tramite l uso del differenziale. E comunque da ricordare che la messa al neutro fu ammessa dalle Norme CEI e CEI 11-1 per un breve periodo (anni ), purché si avesse il consenso delle società Distributrici ed il conduttore neutro fosse adeguatamente messo a terra ed adatto per essere utilizzato a tale scopo. Dopo tale periodo la messa a terra al neutro fu ed è attualmente proibita dalle Norme CEI. Attualmente nessun distributore pubblico in Italia garantisce il neutro, ossia prende provvedimenti affinché il neutro non assuma potenziali pericolosi; infatti l interruzione del conduttore PEN ha conseguenze devastanti, poiché tutte le masse a valle delle interruzioni possono assumere la tensione di fase (figura 6) Di fatto nelle reti di distribuzione per le zone ad alta densità di utenza, servite con linee in cavo sotterraneo, il pericolo che il neutro possa portarsi verso terra ad una tensione superiore a 50 V (allora 65 V) ha probabilità alquanto bassa, viceversa l evento presenta valori di probabilità non accettabili per le reti di distribuzione a bassa densità di utenza e quando la rete è realizzata con linee aeree. 6

7 Ovviamente per gli impianti utilizzatori con propria cabina di trasformazione il sistema TN fu adottato nella generalità dei casi, sia nella opzione TN-S, nonché TN-C ed in taluni casi anche nel sistema combinato TN-C-S. 4. Confronto tra i vari modi del collegamento a terra Occorre fare una distinzione sul sistema adottato dal distributore pubblico da quello degli impianti utilizzatori. Il distributore deve garantire che sulla bassa tensione non siano presenti tensioni pericolose trasferite dal circuito a media tensione. Infatti, a livello di trasformatore MT/BT, un guasto fase MT- massa o addirittura un guasto tra avvolgimento MT e BT senza interessare la carcassa del trasformatore, determinano condizioni di pericolo per i componenti e gli utilizzatori nella rete BT. Da qui l obbligatorietà di collegare il centro stella dell avvolgimento BT del trasformatore a terra per consentire l eliminazione dei guasti suddetti da parte delle protezioni MT del Distributore. Ovviamente la tensioni assunte e trasferite non devono assolutamente compromettere l isolamento dei componenti a bassa tensione. In Italia dai distributori pubblici viene utilizzato il Sistema IT ( è in fase di sperimentazione il sistema IT con neutro compensato) per la media tensione, mentre per la bassa tensione è impiegato il sistema TT. La panoramica internazionale dello stato del neutro delle reti a media tensione viene riportata nella tabella 2. NEUTRO Nazione direttamente a terra con conduttore neutro distribuito senza conduttore neutro distribuito 7 isolato con impedenza a terra con impedenza accordata Germania Stati Uniti Regno Unito Giappone Italia in futuro Francia Irlanda Australia Finlandia Belgio Spagna Portogallo Canada Svezia Norvegia Austria Svizzera Tabella 2 Panoramica internazionale sullo stato del neutro nelle reti a media tensione Per gli impianti utilizzatori invece sono normalmente utilizzati: impianti alimentati in bassa tensione direttamente dal distributore : TT impianti con propria cabina di trasformazione : TN o IT(in minore misura) Gli schemi adottati mentre sono da considerarsi equivalenti sul piano della sicurezza contro i contatti diretti ed indiretti, presentano differenze sostanziali per quanto concerne i costi, la disponibilità dell energia ( continuità del servizio), l affidabilità e la manutenzione. Negli impianti con propria cabina di trasformazione il più diffuso è il TN-S poiché, anche se presenta un maggiore costo, permette una maggiore flessibilità di esercizio e consente l installazione dei dispositivi differenziali; il TN-C viene impiegato, salvo i casi che non è ammesso, per ragioni economiche in quanto si risparmia nella fase di costruzione. Il sistema IT è riservato a quei casi ove non è ammessa o tollerata la mancanza di energia elettrica. Le specifiche caratteristiche dei vari sistemi sono le seguenti: sistema TT: Corrente di guasto a terra di valore basso in quanto è limitata dai valori della resistenza di terra del neutro e delle masse; non esistono vincoli legati alla lunghezza della linea. sistema TN: Permette una certa semplificazione delle installazioni, ma occorre cautelarsi per impedire l assunzione dei potenziali pericolosi sul neutro, con la diffusione di collegamenti equipotenziali. Il sistema TN-S è preferibile agli altri sistemi nel caso di rete molto estesa e con correnti di dispersione elevate e per i componenti con elevate perdite dielettriche.

8 L uso del conduttore PEN (sistema TN-C) è conveniente soprattutto nei circuiti di distribuzione di grossa sezione, dove il risparmio di un conduttore (PE) e di un polo delle apparecchiature diventa una economia non trascurabile. E comunque da valutare e considerare che il conduttore PEN deve essere collegato a terra ripetutamente lungo il percorso, perché le masse e le masse estranee sono soggette, in condizioni ordinarie, alla circolazione di correnti che possono provocare sovrariscaldamenti e la possibile formazione scintille nei punti di discontinuità delle connessioni (infatti nei luoghi soggetti a rischi di esplosione o a maggiore rischio in caso di incendio l uso del PEN è vietato). L uso del PEN, è limitato alla posa fissa e nella sezione (? 10 mm 2 Cu), è vietato nei cantieri edili poiché le sollecitazioni meccaniche presenti aumentano il pericolo di interruzione del conduttore neutro, non è conciliabile con l impiego del differenziale, è sconsigliato in presenza di armoniche. Il conduttore PEN è in fase di declino, anche nei paesi ove ha la massima diffusione, per la proliferazione degli apparecchi elettronici di potenza (perturbatori) e con correnti deboli (perturbati). Sistema IT: Consente di non interrompere l alimentazione all apparire del 1 guasto a terra e pertanto ammette una maggiore disponibilità dell energia per utilizzazioni sensibili (ospedali, piste degli aeroporti, sistemi di sicurezza, fabbriche a ciclo continuo, laboratori, stoccaggio in impianti frigoriferi, circuiti di comando). Per le altre problematiche valgono le seguenti considerazioni: i rischi d incendio e di esplosione sono ridotti con il Sistema TT ed IT (1 guasto), viceversa il TN ed in particolare con il TN-C presentano valori elevati; infatti il sistema TN-C è vietato nei luoghi soggetti a tali rischi; la continuità del servizio viene assicurata con lo schema IT in quanto evita l apertura del circuito all apparire del 1 guasto a terra, mentre nei sistemi TT e TN l ottimizzazione della continuità del servizio avviene tramite la selettività verticale dell intervento e con la suddivisione dei circuiti; l affidabilità nel sistema TN può essere inficiata nel caso di estensione dell impianto senza le necessarie valutazioni di progetto ed esecuzioni delle verifiche, mentre risulta buona con il TT e l IT. la compatibilità elettromagnetica non è assicurata con il sistema TN (è sconsigliabile) a causa delle elevate correnti in gioco, mentre il TT e l IT non determinano particolari problemi. Nella tabella 3 sono riepilogati e confrontati i vantaggi e svantaggi dei sistemi di collegamento a terra. Da ciò si deduce ovviamente che per l IT deve essere assolutamente evitato il 2 guasto a terra. SISTEMA DI COLLEGAMENTO TN IT TT A TERRA TN-C TN-S 1 guasto 2 guasto Sicurezza contro lo shock elettrico Sicurezza dei beni dal rischio incendio Sicurezza dei beni dal rischio esplosioni Sicurezza per scarica tra MT e BT avvolgimenti trasformatore Compatibilità Disturbi irradiati elettromagnetica Armoniche Apertura circuito Continuità del servizio Individuazione guasto Riparazione guasto Manutenzione Affidabilità Oneri costruzione << < < Oneri esercizio = conveniente = maggiormente conveniente = meno conveniente = sconveniente = maggiormente sconveniente = vietato Tab. 3 Confronto prestazioni ed oneri dei vari sistemi di collegamento a terra L evoluzione futura nella scelta del modo di collegamento a terra sarà sicuramente influenzata dall esigenza di migliorare la continuità e la disponibilità del servizio e dalle problematiche della compatibilità elettromagnetica dovuta alla diffusione generalizzata degli apparecchi elettronici di potenza. Inoltre sarà necessario limitare ulteriormente il valore della corrente di guasto a terra in quanto si ottiene: la riduzione del rischio di incendio; la riduzione della tensione di contatto; l abbassamento del livello dei disturbi immessi e condotti. 8