Il dispersore dell'impianto di terra
21.01.2008
Il sistema di protezione contro i contatti indiretti impiegato in presenza di guasti a terra in media tensione è quello dell'interruzione automatica dell'alimentazione, con impiego di un idoneo impianto di terra coordinato con dispositivi in grado di aprire il circuito oggetto del guasto a terra (tra una parte attiva e una massa, massa estranea o un conduttore di protezione), nei tempi previsti dalla norma Cei 11-1, in modo che non possa persistere una tensione di contatto o di passo pericolosa per le persone.
Gli impianti elettrici con tensione maggiore di 1000 V sono, infatti, oggetto della norma Cei 11-1: "Impianti elettrici con tensione superiore a 1 kV in corrente alternata".
Gli impianti di terra devono essere progettati in modo da soddisfare le seguenti indicazioni:
- avere sufficiente resistenza meccanica ed alla corrosione;
- essere in grado di sopportare, dal punto di vista termico, le più elevate correnti di guasto prevedibili;
- evitare danni a componenti elettrici e beni;
- garantire la sicurezza delle persone contro le tensioni che si manifestano sugli impianti di terra per effetto delle correnti di guasto a terra.
I parametri da prendere in considerazione nel dimensionamento dell'impianto di terra sono:
- valore della corrente di guasto a terra, che dipende dallo stato del neutro del sistema di distribuzione;
- durata del guasto a terra;
- caratteristiche del terreno.
I guasti negli impianti in media ed alta tensione sono molto meno probabili di quelli in bassa tensione, ma sono importanti, oltre che per l'alto valore delle tensioni in gioco, soprattutto perché condizionano il dimensionamento dell'impianto di terra.
Influenza dello stato del neutro
L'impianto di terra deve essere progettato anche in funzione dello stato del neutro del sistema di distribuzione, ossia nel caso di neutro isolato da terra o neutro connesso a terra a terra tramite bobina di accoppiamento.
In figura 1 è rappresentato un sistema di distribuzione in media tensione con neutro isolato da terra.
In figura 2 è rappresentato un sistema di distribuzione in media tensione con neutro connesso a terra tramite bobina di Petersen: il neutro viene connesso a terra tramite una impedenza costituita da una induttanza collegata in parallelo con una resistenza.
L'impianto di terra dell'utente è relativo all'area della cabina (figura 3).
A seguito di un guasto, la corrente IF (detta corrente di guasto) si suddivide in due componenti:
- corrente di terra IE che percorre il dispersore di terra della cabina RE;
- corrente IF-IE che percorre le guaine metalliche dei cavi di media tensione.
La tensione totale di terra UE è data dalla relazione: UE = RE IE
Quindi la corrente di terra IE è diversa dalla corrente di guasto IF, a causa della corrente che si richiude negli schermi dei conduttori Mt.
Tuttavia, a vantaggio della sicurezza, nella fase di dimensionamento dell'impianto di terra solitamente si ritiene che la corrente di terra IE coincida con la corrente di guasto IF.
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Dimensionamento dell'impianto di terra L'impianto deve essere dimensionato sulla base della corrente di guasto a terra IF (il pedice F indica "Fault", che in inglese significa "guasto") e del tempo di eliminazione del guasto (tF): questi valori devono essere forniti dal distributore.
Qualunque sia lo stato del neutro in media tensione, dovrà essere soddisfatta la relazione: RE * If< UTp< dove:
- RE è la resistenza di terra, che si misura in Ohm;
- IF è la corrente di guasto a terra, indicata in Ampere;
- UTP è la tensione di contato accettabile in funzione del tempo di eliminazione del guasto tF, misurata in Volt. Mentre per un sistema in Media tensione, con neutro isolato, lo stato del neutro è certo, per un sistema con neutro compensato può succedere che il collegamento a terra venga meno o per intervento delle protezioni sulla bobina di compensazione, o per manutenzione sulla bobina stessa.
I valori dei parametri, nel caso di guasto a terra in un sistema a neutro compensato, comunicati dall'Ente Distributore, sono in genere, per tensioni nominali di 15 kV pari a IF=40 A e tF>10 s e per tensioni nominali di 20 kV pari a IF=50 A e tF>10 s.
A questi ultimi valori a 20 kV corrisponde una UTP pari a 75 V (figura 5).
Non vengono comunicati i valori qualora la bobina di accordo sia disinserita ed il sistema si trovi a funzionare a neutro isolato.
Calcolando il valore limite della resistenza di terra con i parametri forniti per guasto con neutro compensato, si ottiene:
RE < 1,5 Ω
Ma nel caso di disattivazione della bobina di accordo e quindi con uno stato del neutro isolato, il valore di resistenza di terra può ritenersi adeguato per garantire la protezione dai contatti indiretti.
Ipotizzando il sistema gestito con neutro isolato e tempo di eliminazione del guasto di 0,55 s a cui corrisponde una UTP=192 V, l'impianto di terra realizzato con una RE di 1,5 Ω può garantire la protezione dai contatti indiretti nel caso in cui la corrente di guasto a terra sia IF< 128 A.
Per quanto detto si evince che gli impianti di terra di cabina esistenti, dimensionati per un sistema con neutro isolato, con corrente di guasto a terra in genere maggiori di 150 A, sono in grado di garantire la protezione dai contati indiretti passando ad un sistema con neutro compensato.
La situazione risulta diversa nel caso di un nuovo impianto in cui il dispersore di terra viene dimensionato per garantire la protezione dai contatti indiretti con neutro compensato. Qualora, per problemi di esercizio o di manutenzione, il sistema viene esercito con neutro isolato dall'ente distributore, la protezione potrebbe venir meno.
Il vantaggio di un sistema esercito a neutro compensato consiste nel migliorare la qualità del servizio elettrico ed in una riduzione notevole della corrente di guasto a terra, e di una maggiore semplicità nella realizzazione dell'impianto di dispersione a terra.
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CARATTERISTICHE DELL'IMPIANTO TERRA
Contenimento delle tensioni di contatto e di passo
Per la riduzione delle tensioni di passo e di contatto si fa riferimento al diagramma che correla il valore della tensione di contatto ammissibile UTP con il tempo di persistenza di tale corrente.
Il diagramma di figura 6 è riassunto in tabella 1 che riporta i valori della tensione di contatto ammissibile.
Si possono trascurare le tensioni di passo, normalmente più basse di quelle di contatto: nel caso tali tensioni siano più alte di quelle di contatto (dispersore magliato) per esse sono ammessi valori maggiori di tre volte, poiché tre è il fattore di percorso nel corpo umano da piede a piede.
Resistenza meccanica e alla corrosione
Ai fini della resistenza meccanica e alla corrosione, il dispersore deve essere costituito da elementi aventi le dimensioni minime previste dalla norma, riportate nella seguente tabella 2.
Resistenza termica all'effetto del passaggio della corrente di guasto
Dal punto di vista termico, i dispersori e i conduttori di terra, devono:
- rispettare le dimensioni minime riportate nella precedente tabella;
- rispettare i valori minimi richiesti per effetto del passaggio delle correnti di guasto.
A tale scopo, tra l'altro, occorre considerare il valore della corrente di guasto e la sua durata, valutando l'effettivo valore interessato, in quanto la corrente di solito si divide tra i diversi elementi dell'impianto di terra.
Per guasti in cui il circuito percorso dalla corrente di guasto I (A) viene aperto in un tempo t inferiore a 5 s (condizioni adiabatiche di riscaldamento), la sezione minima A (mm2) dell'elemento può essere ricavata dalla seguente relazione:
(apri file allegato in PDF per visualizzare la formula)
dove K e b sono dei coefficienti dipendenti dal tipo di materiali e dati dalla norma, qf e qi sono le temperature finale e iniziale (°C), solitamente assunte pari a, rispettivamente, 300 °C e 20 °C. Tale relazione si ottiene imponendo che l'energia specifica tollerata dal conduttore sia superiore a quella lasciata passare dal dispositivo di protezione.
Per guasti aventi durata superiore a 5 s, nella norma sono riportati dei grafici per la determinazione delle sezioni minime in funzione della corrente.
TIPOLOGIE DELL'IMPIANTO TERRA
L'impianto di terra è solitamente costituito da un conduttore interrato disposto ad anello attorno al perimetro della cabina elettrica. Tale anello viene collegato ai ferri di fondazione della struttura ed all'eventuale griglia elettrosaldata situata al di sotto del pavimento della cabina.
In base alle indicazioni della norma Cei 11-1, il dispersore orizzontale deve essere circondato da terra leggermente costipata, facendo attenzione ad evitare che pietre e ghiaia non vengano in contatto con il dispersore stesso, pena un aumento della resistenza dell'impianto di terra; inoltre i picchetti verticali devono essere posizionati ad intervalli non inferiori alla lunghezza dei picchetti stessi.
Particolare importanza rivestono anche le giunzioni per il collegamento dei dispersori: esse devono avere essere resistenti alla corrosione e soprattutto non dovrebbero creare coppie galvaniche, che si verificano, ad esempio, quando vengono affiancati due metalli aventi diverso potenziale elettronegativo (come rame e acciaio zincato).
Qualora la resistività del terreno sia particolarmente elevata (ad esempio terreni ghiaiosi) si possono installare ai vertici del perimetro della cabina dei dispersori a picchetto, oppure in alternativa raddoppiare l'anello installando un altro conduttore a maggiore profondità.
L'impianto di terra della cabina viene intercollegato con l'impianto di terra dell'attività che la cabina alimenta.
In figura 9 è riportato l'impianto di terra del locale dell'Ente distributore e del locale dell'utente.
In figura 10 si osserva la posa del dispersore di terra e la soletta preparatoria per l'appoggio della cabina elettrica.
In figura 11 è riportato un esempio dei collegamenti dell'impianto di terra di una cabina Mt/bt. Sono riportati i collettori di terra che vengono intercollegati mediante linea in cavo all'impianto disperdente. All'impianto di terra devono essere collegate le carcasse metalliche dei trasformatori ed il centro stella dei trasformatori, come pure la carcassa metallica dell'eventuale gruppo elettrogeno ed il collegamento del centro stella dell'alternatore.
In base alle indicazioni riportate sia nella DK5600 dell'Enel IV edizione Marzo 2004 che nella recentissima V edizione Giugno 2005, i locali cliente, consegna e misura devono essere dotati di un unico ed idoneo impianto di terra rispondente alle norme vigenti, ed in particolare alla norma Cei 11-1 ed alla Guida Cei 11-37 "Guida per l'esecuzione degli impianti di terra di stabilimenti industriali per sistemi di I, II, e III categoria" la cui progettazione e realizzazione è di competenza dell'utente.
Nel locale consegna bisogna predisporre un idoneo morsetto per il collegamento delle masse delle apparecchiature Enel all'impianto di terra.
Il cliente rimane proprietario e responsabile dell'intero impianto di terra, anche ai fini dell'esercizio e della manutenzione.
Inoltre, in base alle nuove indicazioni, il cliente deve richiedere all'Enel l'aggiornamento della corrente di guasto a terra e del tempo di intervento delle protezioni Enel, al fine di provvedere all'esecuzione delle verifiche periodiche dell'impianto di terra; una volta effettuate le verifiche, biennali o quinquennali (Dpr 462/01), il verbale rilasciato dall'autorità ispettiva deve essere inviato in copia ad Enel.
Anche se l'impianto di consegna è compreso in un'area urbana concentrata dove è individuato un impianto di terra globale, ai sensi della norma Cei 11-1, occorre che l'impianto di terra di cui sono dotati i locali cliente, consegna e misura sarà costituito almeno da un anello equipotenziale con quattro picchetti ai vertici.
In prima approssimazione la resistenza Rd di un dispersore verticale (picchetto) può essere calcolata con la relazione
(apri file in allegato per visualizzare la formula 2)
dove con ρm si indica la resistività media del terreno.
In tabella 3 è riportato il valore indicativo della resistenza di terra, espressa in ohm, di dispersori a picchetto.
La resistenza Rd di un sistema costituito da più elementi disperdenti orizzontali (sistema magliato) può essere ricavata mediante la seguente relazione:
(apri file in allegato per visualizzare la formula 3)
dove r è il raggio del cerchio circoscritto alla maglia.
La resistività del terreno ρE (Ω*m) varia considerevolmente a seconda del luogo e del tipo di terreno, della granulosità, della densità e dell'umidità.
La resistività del terreno varia anche con la temperatura: mentre al di sopra di 0°C la resistività si può considerare costante, al di sotto di 0°C si possono verificare degli aumenti anche del 500 %, perché si verifica il congelamento della parte di acqua presente nel terreno ed il conseguente aumento di resistività. A tale scopo, perciò, il dispersore dell'impianto di terra deve essere posizionato al di sotto del livello di congelamento del terreno, ossia indicativamente ad una quota pari ad almeno 0,5 m sotto il piano di campagna.
Relazioni analitiche per il calcolo dei dispersori
La norma Cei 11-1 propone delle relazioni più accurate, rispetto a quelle riportate precedentemente, per il calcolo della resistenza di terra dei dispersori.
La resistenza di terra di dispersori orizzontali composti da piattine, da tondi o da conduttori, per disposizioni diritte o ad anello, in terreno omogeneo, si calcolano con le seguenti relazioni:
dispersore a piattina
(apri file in allegato per visualizzare la formula 4)
(apri file in allegato per visualizzare la formula 5)
dove si è indicato con:
- L: lunghezza della piattina in m;
- D=L/(pi greco) : diametro del dispersore ad anello in m;
- d: diametro del dispersore realizzato con conduttori in corda o metà larghezza di una piattina in m (misura assunta 0,015 m);
- ρE : resistività del terreno in Ωm. La resistenza di terra dei picchetti, infissi verticalmente in terreno omogeneo si calcola mediante la seguente relazione: (apri file in allegato per visualizzare la formula 6) dove si è indicato con:
- L: lunghezza del picchetto in m;
- d: diametro del picchetto in m (misura assunta 0,02 m);
- ρE : resistività del terreno in Ωm. Inoltre, a titolo indicativo viene riportato un glossario dei simboli e delle abbreviazioni più comuni utilizzate nella norma Cei 11-1:
- ρE resistività del terreno (resistenza elettrica specifica del terreno);
- RE resistenza di terra (resistenza fra il dispersore e la terra di riferimento);
- ZE impedenza di terra (impedenza fra l'impianto di terra e la terra di riferimento);
- UE tensione totale di terra (tensione fra l'impianto di terra e la terra di riferimento);
- IE corrente di terra (che circola verso terra tramite la resistenza di terra RE);
- IF corrente di guasto a terra;
- UTP tensione di contatto ammissibile per correnti di durata limitata (vedere diagramma che correla il valore della tensione di contatto ammissibile UTP con il tempo di persistenza di tale corrente riportato precedentemente);
Apri il file in allegato per consultare le formule 2-6
- UT tensione di contatto (parte della tensione totale di terra dovuta ad un guasto a terra a cui può essere sottoposta una persona);
- UST tensione di contatto a vuoto (tensione che si manifesta durante un guasto a terra tra le masse ed il terreno quando queste masse non vengono toccate);
- US tensione di passo (parte della tensione totale di terra dovuta ad un guasto a terra a cui può essere sottoposta una persona con un passo di ampiezza pari ad 1 m tramite un percorso piede-piede);
- tF: durata del guasto;
- IB corrente ammissibile nel corpo umano rispetto alla durata tF del guasto.
Esempio
Si considera l'impianto di terra di uno stabilimento industriale con propria cabina di trasformazione Mt/bt, come rappresentato in figura 13.
Sono noti i seguenti dati:
- tensione di alimentazione dell'impianto: 20 kV;
- corrente di guasto a terra 130 A;
- tempo di eliminazione del guasto 0,5 s;
- resistività del terreno a 0,6 m di profondità pari a 200 Ωm;
- perimetro dello stabilimento 400 m.
Si fa riferimento al diagramma che correla il valore della tensione di contatto ammissibile UTP con il tempo di persistenza di tale corrente.
Il sistema è gestito con neutro isolato ed il tempo di eliminazione del guasto è di 0,5 s a cui corrisponde una UTP=220 V.
Quindi l'impianto di terra deve avere una resistenza di terra inferiore a:
(apri file in allegato per visualizzare la formula 7)
Per ottenere tale valore di resistenza si procede come segue.
Si considera inizialmente un dispersore ad anello realizzato con una corda in rame da 25 mm2 (sezione minima richiesta dalla norma Cei 11-1) interrato attorno al perimetro del fabbricato, della lunghezza di 400 m. Il valore della resistenza di tale dispersore è dato dalla seguente relazione, dove D=L/i greco=400/3,14=127,4 m e
(apri file in allegato per visualizzare la formula 8)
(apri file in allegato per visualizzare la formula 9)
Tale valore di resistenza è ancora troppo elevato, pertanto si propone di integrare la corda con dei dispersori a picchetto L=2,5 m. La resistenza di un picchetto verticale è data dalla seguente relazione:
(apri file in allegato per visualizzare la formula 10)
Considerando 12 dispersori a picchetto disposti lungo il perimetro, si ottiene una resistenza complessiva pari a 6,58 Ω.
Pertanto dall'unione dell'impianto di terra del dispersore orizzontale e di quello costituito dai picchetti verticali, la resistenza complessiva è data dal parallelo della resistenza risultante dei picchetti e del dispersore, e risulta pari a 1,53 Ω.
Tale valore di RE rispetta la condizione precedentemente riportata.
L'impianto di terra dello stabilimento andrà poi intercollegato con quello della cabina elettrica di trasformazione, pertanto il valore complessivo della resistenza di terra RE sarà ulteriormente ridotto.
In aggiunta l'impianto di terra, quando possibile, viene anche solitamente collegato ai ferri di armatura della struttura dello stabilimento industriale, con il vantaggio di diminuire ulteriormente il valore della resistenza di terra complessiva.
E' anche possibile, in alternativa, determinare la lunghezza del dispersore da utilizzare al fine di ottenere il valore di resistenza desiderato.
Apri l'allegato per consultare le formule 7-10
Infatti, considerando la relazione che lega la resistenza di un dispersore ad anello al suo diametro D e quindi alla sua lunghezza L=D*pigreco, ossia:
(apri file in allegato per visualizzare la formula 11)
è possibile determinare la relazione inversa mediante una funzione ai minimi quadrati. Tale relazione approssimata è espressa dai seguenti parametri e vale nel caso in esame di resistività del terreno di 200Ωm:
(apri file in allegato per visualizzare la formula 12) La relazione viene rappresentata nel grafico 1, ottenuto tramite il programma di calcolo numerico Matlab, in modo da determinare direttamente il valore della lunghezza L nota la resistenza del dispersore ad anello RER che si vuole ottenere.
Considerando l'esempio precedentemente riportato, volendo ottenere un valore di resistenza RER=1,69Ω (senza integrare l'anello con dei dispersori a picchetto), l'anello interrato realizzato con corda di rame da 25 mm2 deve avere una lunghezza di 490 m.
A titolo indicativo, qualora si fosse scelta una corda di rame da 50 mm2 si sarebbero ottenuti i seguenti risultati.
(apri file in allegato per visualizzare la formula 13)
Considerando sempre la lunghezza di 400 m, il valore della resistenza di tale dispersore è dato dalla seguente relazione:
(apri file in allegato per visualizzare la formula 14)
Come nel caso precedente s'integra la corda con 12 dispersori a picchetto L=2,5 m aventi complessivamente una resistenza pari a 6,58Ω
Pertanto dall'unione dell'impianto di terra del dispersore orizzontale e di quello costituito dai picchetti verticali, la resistenza complessiva è data dal parallelo della resistenza risultante dei picchetti e del dispersore, e risulta pari a 1,5ï—. Anche tale valore di RE è inferiore a 1,69Ω (condizione precedentemente riportata per il contenimento delle tensioni di contatto ammissibili).
Da ciò si osserva che avendo raddoppiato la sezione della corda di rame (da 25 a 50 mm2) si ottiene una riduzione di circa il 2% della resistenza dell'impianto di terra (da 1,53 a 1,50 Ω).
Questa trascurabile riduzione si ottiene, però, a seguito di un notevole incremento di costo della corda di rame, che ha raddoppiato, infatti, la sua sezione. Pertanto conviene, dati anche i recenti aumenti del costo del rame sui mercati internazionali, optare per la sezione minima ammessa dalla norma.
La sezione minima è scelta in funzione della resistenza meccanica ed alla corrosione, in quanto dal punto di vista elettrico, se si aumenta la sezione del dispersore, non aumenta considerevolmente l'area laterale del dispersore che è quella interessata alla trasmissione della corrente verso il terreno.
A titolo di esempio in figura 16 si riporta un grafico complessivo dove sono evidenziate le curve relative a dispersori aventi sezioni di 35 - 50 - 75 - 95 mm2: quello che si nota, come detto in precedenza, è che aumentando la sezione non si evidenzia una netta diminuzione della lunghezza della corda necessaria per realizzare l'impianto di terra.
Le differenze di lunghezza della corda di rame si evincono invece considerando diversi valori di resistività del terreno. Prendendo in considerazione una corda di rame da 25mm2 interrata in diversi terreni aventi resistività ρ pari a 100, 200, 300, 500 e 1000 Ωm, si nota come a parità di resistenza che si vuole ottenere, risultano delle lunghezze della corda stessa notevolmente diverse, passando da terreni con resistività bassa (terriccio) a terreni con resistività maggiore (sabbia). I risultati ottenuti sono riportati nella figura 17.
Apri il PDF per consultare le formule 11-14
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