Messa a terra e dispositivi di protezione

Dopo poco più di due anni (maggio 2007) dall'uscita dell'edizione VI, che ha costituito una revisione generale della norma base, si è resa necessaria una seconda variante alla norma Cei 64-8, in vigore dal 31-7-2009 (variante V2, 2009-05 - fasc. 9826). Essa, che segue la variante V1, portante correzioni e specificazioni prevalentemente redazionali, recepisce con modifiche i documenti Cenelec: hd 60364.5.54:200702; hd 60364.7.740:2006-08; hd 60364.5.534:2008-08; hd 60364.7.705:2007-03.

Il presente articolo riassume il quadro generale delle novità introdotte e si sofferma in particolare sui principali cambiamenti al capitolo 54: messa a terra e conduttori di protezione, e nuova sezione 534; dispositivi di protezione contro le sovratensioni, dichiarati allo studio al momento dell'uscita della norma base, fornendo in proposito alcuni richiami e riferimenti sui principi e sui criteri di concezione che possono risultare utili alla comprensione degli aspetti salienti delle varianti in parola.

Definizioni e messa a terra e conduttori di protezione

Tre le nuove definizioni: art. 24.12 conduttore Pel - Conduttore che unisce le funzioni di conduttore di protezione e conduttore di fase; art. 24.13 conduttore Pem - Conduttore che unisce le funzioni di conduttore di protezione e conduttore mediano; art. 24.14 Terra di fondazione - Parte conduttrice immersa nel suolo nella fondazione dell'edificio o, preferibilmente, annegata nel cemento della fondazione, generalmente sotto forma di anello. Le prime due attengono rispettivamente i casi dei sistemi elettrici connessi a terra tramite una fase e dei sistemi elettrici alimentati in corrente continua.

La terza non è propriamente una novità poiché la possibilità di utilizzare i plinti di fondazione dei fabbricati come di dispersori era già richiamata nelle norme Cei 11-1 e Cei EN 62305-3 ed esemplificata nella guida Cei 64-12 - Guida per l'esecuzione dell'impianto di terra negli edifici per uso residenziale e terziario. La terra di fondazione, che ora acquisisce dignità normativa, si realizza, ovviamente in sede di costruzione dell'edificio, mediante il collegamento dell'armature dei vari plinti di fondazione con un conduttore nudo, come esplicitamente raccomandato all'art. 542.2.3 per le nuove costruzioni. Il commento allo stesso articolo introduce la nuova tab. 54.1, in luogo di quella prevista negli abrogati precedenti articoli di commento 542.2.3 e 542.2.4.

La novità più rilevante è la riduzione  della sezione minima, dal punto di vista della resistenza meccanica e della corrosione, dei conduttori di terra dei dispersori intenzionali da 35 mm 2 a di rame. Rispetto alla corrispondente tabella della norma Cei 11-1 è presente l'acciaio inossidabile, mentre non è riportato l'acciaio con guaina di piombo.

È stato aggiunto che il punto di connessione del conduttore di terra al collettore principale di terra deve essere accessibile e che il dispersore non deve essere posizionato direttamente nelle acque di fiumi, di canali, di laghi o del mare. Qualora tale soluzione fosse obbligata, è raccomandata l'installazione del dispersore a non meno di 5 m di profondità sotto il livello dell'acqua, oppure deve essere interdetto l'accesso alla zona. Ciò in relazione al fatto che possono intervenire variazioni rilevanti della resistenza di terra in caso di prosciugamento del luogo e, soprattutto, contatti delle persone con l'acqua durante un guasto.

La sezione del conduttore di protezione, fermo restando che può essere sempre dimensionata con riferimento all'espressione dell'equilibrio termico in regime di corto circuito adiabatico (S p = I M t/K) ed in via più immediata con le prescrizioni dell'art. 543.1.2 - tabella 54 2.

L'articolo 547.1.1, riguardante la sezione dei conduttori equipotenziali principali e che sono connessi al collettore principale , è stato interamente sostituito. La sezione non deve essere inferiore a: z6 mm 2 per conduttori in rame; 16 mm 2 per conduttori in alluminio; 50 mm 2 per conduttori in acciaio. Nella disposizione precedente la sezione dei conduttori Eqp non doveva essere inferiore a metà di quella del conduttore di protezione di sezione più elevata dell'impianto, con un minimo di 6 mm 2 (senza per altro superare 25 mm 2 , se di rame, o una sezione di conduttanza equivalente se di materiale diverso).

Pure cambiato l'articolo 547.1.2, afferente i conduttori equipotenziali supplementari , con il quale è stabilito che in caso di collegamento di:  due masse, la sezione non deve essere inferiore a quella del più piccolo conduttore di protezione collegato a queste masse; una massa con una massa estranea, la sezione non deve essere inferiore alla metà della sezione del corrispondente conduttore di protezione, con un minimo di 2,5 mm 2 di rame e se i conduttori sono meccanicamente protetti, e di 4 mm 2 di rame se i conduttori non sono meccanicamente protetti, e non superiore a quanto indicato dal nuovo art. 547.1.1 (6 mm 2 ).

Scelta e installazione degli spd La protezione della tecnologia elettromeccanica di elevata tenuta intrinseca e di quella elettronica a debole isolamento, rientra fra i requisiti della regola dell'arte nella progettazione e costruzione degli impianti elettrici.

La nuova sezione 534, dichiarata allo studio all'uscita della norma base, tratta, in esecuzione delle disposizioni di cui all'art. 443.3, della scelta dei dispositivi per la protezione contro le sovratensioni di origine atmosferica (causate da fulminazioni indirette, o fulminazioni lontane) e delle sovratensioni di manovra.

I dispositivi in questione sono gli spd  che devono essere installati all'ingresso della linea nella struttura (per esempio nel quadro principale di distribuzione) e in prossimità degli apparati da proteggere (per esempio nei quadri secondari di distribuzione o nelle prese), così come previsto dalla norma Cei EN 623054 (norma riguardante la protezione contro i fulmini negli impianti elettrici ed elettronici nelle strutture). Essa in pratica sostituisce i contenuti della Guida Cei 81-8 - Guida d'applicazione all'utilizzo di limitatori di sovratensione sugli impianti utilizzatori di bassa tensione, abrogata con l'introduzione delle norme della serie Cei EN 62305 (Cei 81-10).

Sono previsti tre tipi di connessione degli spd sugli impianti, detti anche modi di protezione: connessione di tipo A per i sistemi TN e IT: fra le fasi e il PE e fra il neutro e il PE nel caso di TN-S; connessione di tipo B o C per il sistema TT: fra ciascuna fase e il PE e fra il neutro e il PE  oppure fra le fasi e il neutro e fra questo e il PE (soluzione 3+NPE ), da valutare caso per caso anche in relazione all'esigenza di garantire la protezione contro i contatti indiretti come meglio esplicitato nel seguito.

In base all'art. 534.2.3.1 la scelta in relazione al livello di protezione degli spd deve tener conto della tensione di tenuta ad impulso uw di categoria II (tabella 44A della sezione 443) e della valutazione dei rischi da fulminazioni dirette secondo la norma Cei EN 62305-2. La scelta va altresì effettuata con riguardo della minima tensione continuativa di servizio (uc) che dipende dal tipo di sistema d'alimentazione ossia dal regime di neutro e, naturalmente, dal modo di protezione. Infatti, negli spd a varistore, a fronte di un certo valore di tensione continuativa, corrisponde una corrente permanente di dispersione (corrente continuativa) di cui occorre tenere conto nell'installazione a valle degli interruttori differenziali e che nel tempo può costituire causa di deriva termica o quanto meno d'invecchiamento.

Escludendo il caso dell'installazione fra le fasi, generalmente non prevista, nei sistemi con neutro a terra (TT e TN), la uc dev'essere almeno pari alla tensione di fase maggiorata del 10%. Tolleranza non considerata per gli spd installati fra neutro e conduttore PE. Nel sistema IT lo stesso criterio cautelativo è assunto con riferimento alla tensione concatenata, fatta eccezione per le inserzioni fra fase e neutro. Molto importante è anche la scelta dell'spd in funzione delle sovratensioni temporanee (Tov temporary over voltages), prevista dall'art. 534.2.3.3. una scelta inadeguata e non seguendo le indicazioni del costruttore, in tal senso obbligatorie, può determinare la distruzione dell'spd.

La norma Cei EN 61643-11 prevede, peraltro, che l'eventuale danneggiamento del componente non deve comportare pericolo per le persone e l'ambiente circostante. Attualmente la tenuta alle Tov è garantita solamente dai dispositivi costruiti conformemente alla norma Iec 61643-1 che prevede la prova di "guasto alle Tov" con la quale si certifica il così detto fine vita sicuro dell'spd senza determinare situazioni pericolose.

I valori attesi delle Tov indotti dalle reti pubbliche sono in corso di revisione con la seconda edizione della norma Cei EN 50160, che dovrebbe entrare in vigore entro la fine dell'anno. Gli spd devono essere protetti contro le sovracorrenti, di conseguenza la scelta deve tenere conto anche della corrente di cortocircuito presunta e del valore nominale d'interruzione della corrente susseguente nel punto d'installazione.

La protezione contro le sovracorrenti (i dispositivi sono detti ocpd, interni o esterni all'spd che quindi possono essere costituiti da fusibili o interruttori automatici) può essere affidata anche al dispositivo di protezione generale in testa all'impianto, nel qual caso lo stesso non sarà protetto contro le sovratensioni. Per questa ragione la protezione contro le sovracorrenti è inserita generalmente in derivazione nel punto d'installazione degli spd.

Il costruttore, per ciascuna tipologia di spd della propria produzione, indica le condizioni che ne rendono possibile l'eventuale installazione senza ulteriori protezioni integrative:  presenza di una protezione a monte con un determinato valore di corrente nominale;  valore della corrente di corto circuito nel punto d'installazione non superiore a determinati valori (diversi in relazione al tipo di spd proposto dal costruttore). Al progettista spetta verificare e calcolare i suddetti valori di corrente nei punti interessati dal collegamento degli spd. Il costruttore indica le caratteristiche dei dispostivi di protezione contro le sovracorrenti (corrente nominale e tempo d'intervento in funzione del sistema di alimentazione) necessari qualora non siano verificate entrambe le appena dette condizioni. Nel caso in cui la protezione contro le sovracorrenti sia realizzata con dispositivi integrati negli spd e siano state verificate le predette due condizioni, il coordinamento fra la protezione dell'impianto e quella integrata è garantita dal costruttore.

Un spd deve essere in grado di ripristinare le proprie condizioni iniziali d'impedenza interrompendo la corrente a 50 Hz (frequenza industriale) susseguente alla corrente impulsiva. Tale comportamento dipende dal tipo e dalle caratteristiche dell'spd e può prevedere un dispositivo di distacco in grado di disconnetterlo prima che la sovratemperatura lo porti al danneggiamento (tipicamente un corto circuito dell'spd stesso). Quando il valore nominale d'interruzione della corrente susseguente è dichiarato dal costruttore, esso deve essere uguale o superiore alla massima corrente di cortocircuito fase neutro prevista nel punto d'installazione.

Gli spd collegati fra il neutro e il PE nei sistemi TT o TN, che ammettono una corrente susseguente a frequenza industriale dopo l'intervento (esempio scaricatori in aria), devono avere un valore nominale di I s = 100 A. Con l'utilizzazione di dispositivi contro le sovracorrenti in serie all'impianto, a monte degli spd, in caso di guasto degli stessi si possono determinare delle interruzioni che si prolungano fino alla loro sostituzione. Viceversa se i dispositivi di protezione contro le sovracorrenti (che possono essere anche dispositivi di distacco interni) sono posti in derivazione nel punto d'installazione degli spd, in caso di guasto viene a mancare la protezione contro le sovratensioni dell'impianto e/o delle apparecchiature fino a quando ciò non è accertato dalle normali viste periodiche di verifica (in tal senso non è più richiesto, art. 534.8 - commento, un allarme a distanza attivato dall'indicatore dello stato dell'spd).

Un aspetto particolarmente importante di cui si occupa la variante V2, riguarda la continuità della protezione contro i contatti indiretti in presenza della protezione contro le sovratensioni. Mentre nessun problema sussiste nel sistema d'alimentazione TN, dove la funzione è affidata a dispositivi di massima corrente a monte degli spd, nei sistemi TT, nei quali come noto l'interruzione automatica del circuito viene effettuata da interruttori differenziali (Rcd - Residual current device), possono presentarsi delle criticità a seconda che gli spd siano installati a monte o a valle dell'interruttore differenziale, ipotesi entrambe contemplate dagli articoli 534.2.5 e 534.2.6. Con riferimento alla figura 6, l'interruttore differenziale a monte degli spd garantisce la protezione contro i contatti indiretti anche in caso di guasto degli stessi, tenuto presente comunque che un guasto a un spd può presentarsi come un'interruzione o come un corto circuito dell'impianto. Occorre tuttavia considerare che l'interruttore differenziale in questo caso è interessato dalla corrente di scarica e quindi potrebbe intervenire intempestivamente all'instaurarsi della sovratensione.

La norma, allo scopo di evitare tali interventi intempestivi, prescrive che siano utilizzati interruttori differenziali con o senza ritardo nell'intervento, ma non sensibili alle correnti di scarica sino ad almeno 3 kA di forma 8/20 µ s (provati con tale forma d'onda), precisando poi che gli interruttori differenziali di tipo S, in accordo con le norme Cei EN 61008-1 e Cei EN 61009-1 soddisfano queste prescrizioni. Ne consegue che: gli spd non possono essere di classe I; z la corrente complessivamente dispersa verso terra dall'impianto, compresa l'eventuale corrente continuativa degli spd, non deve superare un terzo della corrente nominale differenziale d'intervento; e quindi la connessione di tipo B non può essere, in generale, utilizzata all'origine dell'impianto, ad esempio nel quadro di distribuzione principale, dove le correnti di fulmine attese possono essere superiori al suddetto valore e danneggiare l'interruttore differenziale.

A maggiore ragione se l'impianto elettrico si trova all'interno di una struttura protetta da Lps il cui funzionamento, in caso di fulminazione diretta, comporta una ripartizione della corrente in uscita dal collettore di terra che interessa sia le tubazione dei servizi sia le linee (d'energia e di segnale) e quindi attraversa anche l'interruttore differenziale posto all'origine dell'impianto. Diventa pertanto più corretta la connessione di tipo C, dove però va tenuto presente il rischio che possa venir meno la protezione contro i contatti indiretti in caso di guasto di un spd a meno che non si adotti la soluzione detta 3+Npe che consiste nell'inserimento fra il neutro e il conduttore di protezione di uno spinterometro. In tal modo s'impedisce che la corrente continuativa degli scaricatori/varistori, inseriti fra ciascuna fase e il neutro, metta in tensione permanentemente l'impianto di terra.

Al passaggio della sovratensione la protezione è garantita dall'innesco combinato della serie varistorespinterometro con una precisione, in termini di tempo d'innesco, minore della risposta fornita nel caso che l'spd sia un varistore. La corrente susseguente è praticamente annullata dal varistore che ripristina un'elevata impedenza nel circuito immediatamente dopo il passaggio della sovratensione.

La presenza dello spinterometro verso terra è indispensabile in caso di guasto per corto circuito di uno dei varistori. In quest'ultima ipotesi, infatti, se in luogo dello spinterometro fosse installato un varistore non sarebbe assicurato l'intervento della protezione di massima corrente (nel caso specifico i fusibili immediatamente a monte dei varistori) per l'elevata impedenza dell'anello di guasto. Anello di guasto che diventa, invece, un vero e proprio corto circuito fase-neutro per effetto dell'interruzione verso terra garantita, a frequenza industriale, dallo spinterometro.

Questo deve essere in grado di condurre la parte di corrente di fulmine che interessa nel suo complesso la linea d'alimentazione. In via cautelativa è assunta una corrente nominale di scarica pari a quattro volte quella del singolo varistore (con il quale lo spinterometro è combinato), ipotizzando una sovratensione quadripolare. Un ulteriore vantaggio della connessione di tipo C, nel caso d'installazione all'origine di un impianto situato in un edificio protetto con Lps, è costituito dal fatto che la corrente di fulmine drenata verso terra che fuoriesce dalla struttura protetta attraverso le linee e le condutture dei servizi, non interessa l'interruttore differenziale.

Concludono la sezione 534 le prescrizioni attinenti le modalità di collegamento degli spd, con particolare riferimento al percorso e alla sezione dei conduttori da utilizzare, e la loro ubicazione sull'impianto in funzione della classe di prova. Argomenti già esemplificati pure nell'allegato D alla norma Cei EN 62305-4 (Cei 8110/4). Inserimento nella parte 2 della norma base di tre nuove definizioni relative agli impianti di messa a terra Aggiunta della sezione 534 limitatori di sovratensione (spd) Modifica del capitolo 54 e delle sezioni 705 e 711 Abrogazione della sezione 707.

Alcune definizioni dell'impianto di terra:
DA Dispersore intenzionale
DN Dispersore di fatto
CT Conduttore di terra
EQP Conduttore equipotenziale principale.

Art. 413.1.2.1 Collegamento equipotenziale principale.
In ogni edificio il conduttore di protezione, il conduttore di terra, il collettore principale di terra e le seguenti masse estranee e/o parti conduttrici devono essere connesse al collegamento equipotenziali principale... PE Conduttore di protezione EQS Conduttore equipotenziale supplementare.

Art. 413.1.2.2.1. Se le condizioni per l'interruzione automatica indicate in 413.1.1.1 non possono essere soddisfatte in un impianto o in una sua parte, si deve realizzare un collegamento equipotenziale supplementare che comprenda tutte le masse simultaneamente accessibili di componenti fissi dell'impianto e tutte le masse estranee, comprese le armature principali del cemento armato utilizzato nella costruzione degli edifici, se praticamente possibile... M Massa MT Collettore (nodo) principale di terra ME Massa estranea.

Livello di protezione up, in pratica coincide con la tensione d'innesco degli spinterometri e con la tensione residua dei varistori (che è quella che si instaura durante il passaggio della corrente nominale di scarica In). Tensione di tenuta a impulso uw. Valore di picco della tensione ad impulso di forma 1/50µs che l'apparecchiatura è in grado di sopportare senza subire danni. I componenti elettrici aventi tenuta a impulso di categoria II sono componenti intesi ad essere collegati agli impianti elettrici fissi di edifici. Esempi sono gli apparecchi elettrodomestici, gli utensili mobili e trasportabili e simili. Alla tensione di esercizio 230/400 V gli apparecchi con classe d'isolamento II hanno una tensione di tenuta ad impulso di 2,5 kV.

Tensione massima continuativa uc. Massimo valore della tensione efficace o continua che può essere applicata permanentemente all'spd. Questa è la tensione nominale dell'spd. Tensione residua ures. Valore di picco della tensione che appare tra i terminali di un spd a seguito del passaggio della corrente di scarica. Sovratensione temporanea (Tov). Sovratensione oscillatoria smorzata (o debolmente smorzata) alla frequenza di rete in una determinata posizione e di relativamente lunga durata (= 5 s). In genere le Tov sono da imputare ai guasti a terra delle reti a Mt, a guasti o manovre sulla rete bt. Corrente susseguente Is. Corrente a frequenza industriale fornita dall'impianto elettrico utilizzatore di bassa tensione e che circola nell'spd dopo il passaggio della corrente di scarica. La corrente susseguente è significativamente diversa dalla corrente continuativa.

Le norme Cei EN 63305-4 e Cei EN 61643-11 distinguono gli spd in tre classi in ordine decrescente della prestazione termica conseguente il valore di picco e la forma d'onda della corrente con cui sono provati: spd di Classe I provati per sopportare la corrente di fulmine parziale con una tipica forma d'onda 10/350 µs e che richiedono una corrispondente corrente di prova a impulso Iimp; spd di Classe II provati per sopportare la corrente impulsiva con una tipica forma d'onda 8/20 µs e che richiedono una corrispondente corrente di prova a impulso In; spd di Classe III provati per sopportare la corrente impulsiva con una tipica forma d'onda 8/20 µs e richiedono una corrispondente corrente di prova a impulso Isc; lps (lightning protection system).

Impianto completo usato per ridurre il danno materiale dovuto alla fulminazione diretta di una struttura. È costituito da un impianto di protezione esterno e da un impianto di protezione interno. Alcune definizioni della protezione contro le sovratensioni, nel caso di rivestimento con bagno continuo, attualmente è tecnicamente fattibile solo uno spessore di 50 µ m. Quando l'esperienza dimostra che il rischio di corrosione e danno meccanico è estremamente basso, si può usare 16 mm