La terra elettrico-elettronica nei centri di elaborazione dati

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1 La terra elettrico-elettronica nei centri di elaborazione dati Pubblicato il: 26/05/2004 Aggiornato al: 26/05/2004 di Gianluigi Saveri La convivenza forzata nei centri di elaborazione dati di impianti elettrici ed elettronici può risultare problematica per quanto concerne il corretto funzionamento delle apparecchiature e la sicurezza delle persone. Questi sistemi trattano in genere segnali dell ordine dei mv e per un regolare funzionamento richiedono di norma un sicuro e stabile riferimento al potenziale di terra, ottenibile con buoni risultati collegando le apparecchiature allo stesso impianto di terra di protezione dell edificio. 1. Generalità La convivenza forzata nei centri di elaborazione dati di impianti elettrici ed elettronici può risultare problematica per quanto concerne il corretto funzionamento delle apparecchiature e la sicurezza delle persone. Questi sistemi trattano in genere segnali dell ordine dei mv e per un regolare funzionamento richiedono di norma un sicuro e stabile riferimento al potenziale di terra, ottenibile con buoni risultati collegando le apparecchiature allo stesso impianto di terra di protezione dell edificio. L impianto di terra può essere però un ottimo veicolo per i disturbi elettrici che si sovrappongono e modificano, a volte in modo inaccettabile, le caratteristiche del segnale gestito dall apparecchiatura elettronica; sono sufficienti variazioni del potenziale di riferimento verso massa dell ordine dei mv per disturbare il corretto funzionamento di questi apparati. Non meno importanti dei disturbi di natura elettrica sono i problemi, di seguito riassunti, legati alla sicurezza: i circuiti elettronici necessitano abitualmente di collegamenti a terra funzionali percorsi in condizioni normali da correnti di dispersione che possono elevare le tensioni sulle masse a valori superiori a quelli normalmente tollerabili per la sicurezza; la rottura del conduttore di protezione potrebbe introdurre tensioni pericolose sulle masse per la presenza nelle apparecchiature elettroniche di filtri passivi passa basso muniti di un collegamento a massa che permette di drenare a terra gli eventuali disturbi; le periferiche remote, intese come apparecchiature che ricevono e trasmettono segnali da e verso il sistema centrale ma che hanno le masse collegate ad un impianto di terra diverso da quello del sistema centrale, in presenza di un guasto possono determinare il trasferimento di tensioni pericolose ininterrotte dalla periferica remota verso il centro di elaborazione dati e viceversa. Ci aiutano ad affrontare e a risolvere questi problemi la sezione 707 della Norma CEI 64-8, rivolta principalmente al tecnico elettrico, che tratta la messa a terra dal punto di vista della sicurezza elettrica e la Norma CEI EN 50310, rivolta principalmente all elettronico, che tratta specificatamente dei collegamenti equipotenziali e di terra negli edifici che contengono apparecchiature per la tecnologia dell informazione. 1

2 2. La messa a terra secondo la sezione 707 della norma CEI 64-8 La terra elettrico-elettronica nei centri di elaborazione dati Prescrizioni per la sicurezza Le prescrizioni della sezione 707 della Norma CEI 64-8 si riferiscono all impianto di terra asservito a locali contenenti apparecchiature di elaborazione dati con particolare riferimento ai collegamenti equipotenziali a basso disturbo e alla protezione contro i contatti diretti e indiretti delle apparecchiature che presentano elevate correnti di dispersione. La permanenza di correnti di dispersione verso terra, dovute principalmente all impiego di filtri per la soppressione delle interferenze collegati a terra e ad altri circuiti elettronici che in condizioni ordinarie oppure in situazioni particolari possono addurre elevate correnti di funzionamento verso terra, può dar luogo, come indicato in fig. 1, ad una tensione totale di terra pericolosa. La presenza di filtri passa basso preposti alla soppressione dei disturbi può introdurre un altro pericolo dovuto alla rottura del PE. Fig.2: La rottura del PE impedisce alla corrente di funzionamento dei filtri passa basso di scaricarsi a terra creando una situazione di grave pericolo per chi toccasse una massa. Il pericolo è ancora più grave se si guasta anche il condensatore C1 perché tutte le masse vengono messe in tensione. Fig.1: Correnti elevate possono permanere sul circuito di dispersione verso terra e conseguentemente tensioni pericolose per le persone possono stabilirsi sulle masse e le masse estranee Nella figura 2 è evidenziato come, interrompendosi il collegamento a terra di un filtro con due condensatori inseriti tra fase e neutro e con punto centrale a terra, la corrente di funzionamento non possa più essere scaricata a terra e una tensione pericolosa venga trasferita in modo permanente sulle masse. Se i condensatori presentano lo stesso valore di capacità la persona sarebbe soggetta ad una tensione pari a U/2. La rottura del PE diventa particolarmente grave se contemporaneamente si danneggia anche un condensatore, ad esempio a causa di picchi di sovratensione, perché una tensione pericolosa potrebbe essere trasferita su tutte le masse. In riferimento alle correnti di dispersione le Norme in definitiva suddividono le apparecchiature elettroniche di elaborazione dei dati in tre gruppi: con correnti di dispersione non superiori a 3,5 ma - gli apparecchi sono collegabili alla rete senza particolari accorgimenti anche mediante prese a spina per usi domestici e similari e sono esclusi dalle prescrizioni della seguente sezione perché non presentano correnti di dispersione elevate. con correnti di dispersione comprese tra 3,5 e 10 ma devono essere collegati alla rete in modo fisso o mediante spine di tipo industriale. Nei sistemi TT, quando il circuito è protetto mediante un interruttore 2

3 differenziale la Norma richiede che sia soddisfatta anche la seguente relazione: I t I n UL / 2R A dove I t è la corrente totale di dispersione verso terra, I n la corrente differenziale nominale del dispositivo differenziale, UL la tensione limite di contatto 2R A la resistenza del dispersore. La Norma sconsiglia l uso del sistema IT per la difficoltà che si incontra nel soddisfare le condizioni di sicurezza U L 50V dopo un primo guasto e consiglia di alimentare l apparecchiatura da un sistema TN derivato dal sistema IT tramite un trasformatore. con corrente di dispersione superiore a10 ma per queste apparecchiature, che presentano permanentemente elevate correnti di dispersione verso terra, bisogna adottare, oltre agli accorgimenti indicati per le apparecchiature con correnti di dispersione comprese tra 3,5 e 10 ma, anche alcuni provvedimenti supplementari. Le stesse prescrizioni si devono applicare anche quando le correnti di dispersione elevate sono presenti su circuiti terminali che convogliano verso terra una corrente di dispersione dovuta alla somma delle correnti di dispersione di più apparecchiature. Per queste apparecchiature che presentano correnti di dispersione molto elevate, in relazione ai pericoli che ne derivano per le persone, la norma prevede alcuni possibili rimedi: Impiego di trasformatori con secondario collegato a terra L apparecchiatura può essere separata elettricamente mediante trasformatore con il circuito secondario che deve essere preferibilmente connesso come un sistema TN. In questo caso la corrente di filtro si chiude su un circuito completamente metallico che deve essere opportunamente sovradimensionato o dotato di dispositivo per il controllo dell integrità per garantire una connessione ad affidabilità aumentata come indicato ai punti successivi. Si noti che la corrente di filtro (fig. 3a) non interessa più il dispersore eliminando in tal modo il pericolo che si manifestino tensioni totali di terra elevate. L alimentazione avviene normalmente tramite trasformatori a due avvolgimenti (sono esclusi gli autotrasformatori) ma può essere anche ottenuta attraverso un UPS o un gruppo motore alternatore. Fig. 3: Soluzioni per la sicurezza proposte dalla Norma CEI 64-8 a) Impiego di trasformatori con secondario collegato a terra b) Connessione a terra ad elevata affidabilità c) Sorveglianza della continuità del PE Connessione a terra ad elevata affidabilità I conduttori di protezione devono soddisfare le prescrizioni generali stabilite dalla 64-8 al capitolo 54 ed avere una sezione maggiorata rispetto a quella normalmente 3

4 prevista (fig. 3b). Se il conduttore non fa parte dello stesso cavo di alimentazione la sezione minima ammessa è di 10 mm 2 in alternativa può essere costituito da due conduttori in parallelo di sezione non inferiore a 4 mm 2. Se il PE fa parte di un cavo multipolare la somma delle sezioni di tutte le anime costituenti il cavo, compreso il PE, non deve essere inferiore a 10 mm 2 e comunque il PE non deve avere una sezione inferiore a 2,5 mm 2. Si possono usare anche due conduttori di protezione in parallelo se costituiti da due anime del cavo multipolare di alimentazione, a condizione che la somma delle sezioni di tutti i conduttori che costituiscono il cavo multipolare non sia inferiore a 10 mm 2. In tale caso uno dei conduttori di protezione può essere costituito da una armatura metallica, da una guaina metallica o da un rivestimento metallico che facciano parte per costruzione del cavo. Si possono usare anche due conduttori di protezione in parallelo con sezione non inferiore a 2,5 mm 2 installati entro uno dei seguenti involucri: o tubi protettivi metallici rigidi che presentino una continuità elettrica in accordo con le Norme della serie CEI EN 50086; o canali metallici; o cunicoli metallici; o schermature metalliche; o armature metalliche. Sorveglianza della continuità del PE Si può installare sul conduttore di protezione un dispositivo di sorveglianza della continuità del conduttore di protezione che provveda ad interrompere automaticamente l alimentazione se si interrompe il circuito verso terra (fig. 3c). Fig.4: Su due macchine collegate ad impianti di terra separati ma contemporaneamente raggiungibili possono stabilirsi differenze di potenziale pericolose per chi le dovesse toccare contemporaneamente sicurezza, l interposizione di dispositivi di separazione (per es. trasformatori di isolamento oppure optoisolatori) nei cavi di segnale che garantiscano la separazione galvanica, impiego di componenti ed apparecchiature con isolamento adeguato. Un altra situazione pericolosa può verificarsi in presenza di periferiche remote. Le periferiche remote sono collegate col centro di elaborazione tramite i cavi di segnale ed essendo apparecchiature dislocate a grande distanza rispetto al sistema centrale possono avere la messa a terra delle masse collegata ad un dispersore separato. Un guasto su una di queste apparecchiature si ripercuote sul sistema centrale e viceversa senza provocare l intervento dei dispositivi di protezione che in queste condizioni non sono in grado di rilevare il guasto. Le soluzioni proposte dalle Norme sono l impiego di dispositivi limitatori di tensione (ad esempio varistori) in prossimità dei punti nei quali si vogliono assicurare adeguate condizioni di Messa a terra di funzionamento a basso disturbo I vari circuiti e lo schermo dei cavi delle apparecchiature elettroniche abitualmente devono essere, per ragioni funzionali, vincolati al potenziale di terra. Normalmente ci si serve dello stesso impianto di terra di protezione che però purtroppo in alcuni casi può introdurre nelle apparecchiature elettroniche dei disturbi tali da Fig. 5: Le masse elettroniche sono collegate ad un nodo equipotenziale indipendente collegato allo stesso impianto generale di terra. É garantita l equipotenzialità fra le masse elettroniche che continuano a funzionare regolarmente anche in presenza di un guasto su di una massa elettrica. 4

5 comprometterne il corretto funzionamento. Una soluzione, per altro difficilmente applicabile, potrebbe essere quella di separare gli impianti di terra. Impianti di terra separati sono ammessi all interno di uno stesso impianto solo se è impossibile toccare simultaneamente masse collegate a diversi sistemi disperdenti, condizione impossibile da realizzare all interno di un centro di elaborazione dati a causa della mescolanza e vicinanza di masse elettriche ed elettroniche. Le persone che devono lavorare con apparecchi collegati ad impianti di terra separati possono infatti essere soggette a differenze di potenziale pericolose se le macchine sono toccate contemporaneamente (fig. 5). Una soluzione pratica e razionale può essere quella indicata in figura 6 con le masse elettroniche collegate ad un nodo equipotenziale indipendente facente capo allo stesso impianto generale di terra. Fig. 6: Impianto di messa a terra a basso disturbo Con questo tipo di collegamento si garantisce l equipotenzialità fra le masse elettroniche che risultano in tal modo indipendenti dal potenziale verso terra assunto dall impianto di terra generale. Tenendo per quanto possibile separati i conduttori di protezione e di terra di segnale delle apparecchiature elettroniche le interferenze possono essere mantenute al di sotto di livelli compatibili con il buon funzionamento delle apparecchiature. Quanto fin qui detto può essere tradotto nella figura 6 con due nodi equipotenziali separati, uno per le masse e masse estranee elettriche ed uno per le masse elettroniche, connessi ad un unico collettore generale di terra. La conformazione tipica di questo sistema, con percorsi lunghi ad elevata reattanza induttiva, favorisce l attenuazione dei disturbi che transitano attraverso il collettore generale di terra. 5

6 3. Le connessioni equipotenziali e la messa a terra secondo la Norma CEI EN In figura 7 è rappresentato un esempio di rete equipotenziale tipica di un centro elaborazione dati ottenuta collegando insieme e in più punti alla rete equipotenziale i vari elementi del sistema. Si può notare che la nomenclatura delle varie parti dell impianto è diversa da quella normalmente proposta dalla Norma 64-8 perché la Norma CEI EN utilizza sigle derivate dagli acronimi di parole inglesi. Ad esempio il dispersore è indicato con NT (Earthing Network), il collettore principale con MET (Main Earthing Terminal) e la rete equipotenziale comune con CBN (Common Bonding Network). Per meglio chiarire il significato dei termini utilizzati nella Norma si riportano di seguito le definizioni principali. Rete equipotenziale (BN - Bonding Network) Insieme di strutture conduttrici interconnesse che fornisce uno schermo elettromagnetico per i sistemi elettronici e per il personale a frequenze dalla corrente continua (c.c.) fino alla bassa radiofrequenza (RF). Il termine schermo elettromagnetico indica qualsiasi struttura utilizzata per deviare, bloccare o impedire il passaggio di energia elettromagnetica. In generale, non è necessario collegare a terra una BN ma tutte le BN considerate nella presente Norma avranno una connessione di terra. Rete equipotenziale comune (CBN- Common Bonding Network) Mezzo principale per il collegamento equipotenziale e la messa a terra efficaci all interno di un edificio di telecomunicazione. È l insieme di componenti metallici interconnessi intenzionalmente o incidentalmente per formare la BN principale in un edificio. Questi componenti comprendono:strutture di acciaio, tubazioni metalliche, condotti metallici per sistemi in corrente alternata (c.a.), conduttori di protezione (PE), rastrelliere per cavi e conduttori equipotenziali. La CBN ha sempre una topologia a maglia ed è collegata alla rete di messa a terra. Conduttore equipotenziale ad anello (BRC Bonding Ring Conductor) Conduttore equipotenziale che forma un anello chiuso. Normalmente, un BRC ha connessioni multiple alla CBN e pertanto migliora la qualità Conduttore di ritorno della corrente continua Conduttore positivo dell alimentazione secondaria in corrente continua a 48 V o 60 V Dispersore (NT Earthimg network) Corpo conduttore o gruppo di corpi conduttori in intimo contatto con il terreno in modo da realizzare un collegamento elettrico con la terra. Collegamento equipotenziale (EQP o EQS) Collegamento elettrico che mette diverse masse e masse estranee praticamente al medesimo potenziale. Collettore (o nodo) principale di terra (MET- Main Earthing Terminal) Elemento previsto per il collegamento al dispersore dei conduttori di protezione, inclusi i conduttori equipotenziali e di terra, nonché i conduttori per la terra funzionale, se esistente. Rete equipotenziale a maglia (MESH-BN) Rete equipotenziale in cui tutti i telai, gli armadi e gli armadietti delle apparecchiature associate e generalmente il conduttore di ritorno della corrente continua sono collegati insieme ed anche ai punti multipli verso la CBN. Di conseguenza, la MESH-BN estende la CBN. Conduttore di neutro (N) Conduttore collegato al punto neutro di un sistema e in grado di contribuire alla trasmissione dell energia elettrica. Conduttore PEN Conduttore a terra che combina le funzioni sia di conduttore di protezione che di conduttore di neutro. Conduttore di protezione (PE) Conduttore prescritto per alcune misure di protezione contro i contatti indiretti per il collegamento di alcune delle seguenti parti: o masse; 6

7 o o o o masse estranee; collettore (o nodo) principale di terra; dispersore; punto a terra della sorgente o neutro artificiale. La terra elettrico-elettronica nei centri di elaborazione dati Conduttore di terra di segnalazione (SE) Conduttore che mette in relazione i circuiti di segnalazione al potenziale di terra. Le funzioni di segnalazione di tali circuiti possono comprendere la segnalazione con il ritorno di terra tra ubicazioni diverse. Un conduttore di protezione (PE) può contemporaneamente agire come un SE, se le caratteristiche delle funzioni di segnalazione si armonizzano con le prescrizioni di sicurezza richieste. La CBN (di cui il PE fa parte) può fornire la funzione di SE. Sistema Gruppo di elementi interdipendenti o che interagiscono regolarmente e che formano un insieme unificato. Sottosistema Gruppo funzionale di apparecchiature che dipende per il suo funzionamento e la sua prestazione dalla sua connessione allo stesso piano del potenziale di riferimento del sistema, inerente a una MESH-BN Piano di riferimento del potenziale del sistema (SRPP - System Reference Potential Plane) Il piano conduttivo ideale di equalizzazione del potenziale è ottenuto in pratica con maglie verticali e orizzontali. Pertanto, la larghezza della maglia è funzione del campo di frequenze considerato. Le maglie orizzontali e verticali possono essere interconnesse per formare una struttura approssimativamente simile ad una gabbia di Faraday L SRPP facilita la segnalazione con riferimento a un potenziale comune. In fig. 7 è rappresentato un esempio di installazione di rete equipotenziale comune (MESH-BN) con tutti i telai, gli armadi, il conduttore di ritorno della corrente continua,ecc.. collegati insieme e in punti multipli alla rete equipotenziale BN o, come normalmente accade quando l insieme dei collegamenti è connesso anche all impianto di terra, alla rete equipotenziale comune CBN. Le apparecchiature elettroniche sono collegate a terra tramite il conduttore SE che in alcuni casi, se le caratteristiche delle funzioni di segnalazione non contrastano con le prescrizioni di sicurezza richieste, può essere assimilato al conduttore di protezione PE. Fig.7: Tipica rete equipotenziale a maglia per centri di elaborazione dati (MESH- BN) conduttori equipotenziali ad anello, le rastrelliere per cavi ecc.. Per migliorare la qualità dell insieme equipotenziale è consigliato anche un conduttore equipotenziale ad anello chiuso BRC con connessioni multiple alla CBN. I componenti metallici dell edificio, il collettore principale di terra, i conduttori di protezione servono alla costruzione di una CBN di base che può essere resa più efficiente, abbassandone l impedenza e aumentandone la capacità di conduzione della corrente, mediante elementi supplementari come ad esempio i conduttori equipotenziali, i All interno di un edificio deve essere pr\evisto un collettore principale di terra MET installato nei pressi del punto di ingresso dell alimentazione in corrente alternata e dei cavi dati. Questi ultimi devono essere collegati al collettore principale di terra mediante una connessione che sia la più corta possibile. Nelle costruzioni più importanti i vari elementi devono essere riferiti ad un piano di potenziale a bassa impedenza SRPP ottenuto in pratica mediante maglie verticali e orizzontali con larghezza di maglia scelta in funzione del campo di frequenze considerato. 7