Norma CEI 11-37 Guida per l’esecuzione di impianti di terra di stabilimenti industriali per sistemi di I, II e III categoria seconda parte

Il dispersore in impianti di II e III categoria Nell’ambito di uno stabilimento è opportuno che i singoli dispersori dei vari impianti vengano collegati fra loro in modo da realizzare un unico grande dispersore con vantaggi per la resistenza totale di terra e con riduzione delle tensioni di contatto e passo ai margini della griglia

Dispersore magliato ( a griglia ) Interrato alla profondità di 50-80 cm. in rame o acciaio zincato a caldo in corda, bandella o tondino dimensionato in base a corrente; resistenza meccanica e alla corrosione dimensione maglie da 6 a 12 m. meglio maglia rettangolare che quadrata

Resistenza dispersore a griglia RG = 4 A dove r = resistività del terreno alla profondità del cerchio equivalente avente l’area del dispersore a griglia A = area della piastra circolare equivalente all’area del dispersore a griglia pari a p.D /4 D = diametro della griglia 2 r 2r per cui RG = = 2D p dove p = perimetro della rete di terra

Resistenza del picchetto Rp = ln 2pL d dove L = lunghezza del picchetto d = diametro del picchetto se L/d > 100 si può usare la formula semplificata r Rp = L

Utilizzo del picchetto All’esterno della maglia a suo complemento Quando resistività in profondità è maggiore di quella in superficie Per evitare mutue influenze i picchetti debbono distare fra loro almeno come la loro profondità di infissione, meglio se il doppio In questo caso la resistenza totale è il parallelo delle resistenze

Altri tipi di dispersori Dispersore orizzontale RL = ln pL d dove d = diametro del conduttore cordato o la metà della bandella r 2pD Dispersore ad anello Rp = ln p D 2 d dove d = diametro del conduttore cordato o la metà della bandella D = diametro dell’anello

Resistività del terreno in W.m Acquitrinoso, organico, umido da 5 a 40 humus, argilla da 20 a 200 sabbia, terreno alluvionale da 200 a 2.500 arenaria da 2.000 a 3.000 granito fino a 50.000

(Resistività superficiale) Quando occorre aumentare la resistività superficiale, con strati di 10-15 cm di pietrisco, questo ha i seguenti valori in W.m: tipo secco bagnato ghiaia 1.220.000 8.500 pietrisco 18.300.000 4.200

Dimensionamento termico 1 I t 2 A = k dove: A = sezione in mm I = corrente che percorre l’elemento del dispersore in A t = tempo di eliminazione guasto in sec. k = dipende da materiale e temperature iniziale e finale = 229 per il rame ( temperatura da 30°C a 400°C) = 78 per acciaio ( 30° - 400 °C) 2

Suddivisione delle correnti Se il conduttore di terra è connesso ad un conduttore della maglia, la I si divide in due Se il conduttore di terra è connesso ad un nodo della maglia, la I si divide in quattro In ogni caso per le sezioni minime vale la tabella della Norma CEI 11.8 - 64.8 - 81.1 vedi prima parte della guida (64-12)

Dimensionamento termico dei conduttori di terra (temperatura massima 200 °C)

Determinazione delle tensioni di contatto e passo La predeterminazione è molto aleatoria Esistono relazioni empiriche (Laurent, luglio-agosto 1972) Esistono programmi per grandi calcolatori (Distributore pubblico) Nella pagina sucessiva vengono dati alcuni valori

Valori in stazioni AT con terreno omogeneo ( come % della UT) UC : 5 - 13 % dall’interno alla periferia UP : 1 - 5 % dall’interno alla periferia UPE : 4 - 8 % all’esterno del perimetro Dove UPE = tensione di passo all’esterno del perimetro della griglia, non interessa in questo caso la tensione di contatto Picchetti lunghi 4 - 10 metri posti distribuiti sul perimetro della griglia dimezzano la tensione di passo periferica UPE

Valori di tensione di contatto e passo Per il dimensionamento della terra riguardo a UC ed UP è bene ricorrere a programmi di calcolo che dimensioneranno sempre per eccesso Per installazioni complesse con elevate IG ed elevate r , si raccomandano le verifiche sul posto

Rimedi per UC > UCA Controllo locale del potenziale infittendo le maglie Elettrodo supplementare per la massa fino a 1,25 m. Pietrisco o pedane isolanti Segregazione della zona pericolosa

Dati ed elaborati di progetto Corrente di guasto IG tempo di durata del guasto t resistività presunta o misurata r dimensioni e configurazione dell’impianto schema elettrico alimentazione e distribuzione vincoli esterni ( ferrovie, tubazioni ecc.)

Schema a blocchi SI NO SI NO NO NO SI NO SI Dati di partenza IG, t , r Progetto base Calcolo RT, UT SI UT<=1,2UCA NO SI UT<=1,8UCA NO Calcolo UC NO UC<=UCA Provvedimento correttivo Vedi pagina 16 Controllo tensioni trasferite Controllo gradiente Interruzione continuità metallica NO UC<=UCA SI Verifiche e misure sul posto NO UC<=UCA Progetto corretto SI

Esecuzione dell’impianto di terra Dispersore a 50-80cm di profondità, entro scavo, senza sforzi meccanici, in letto di terriccio e ricoperto dallo stesso Conduttore di terra percorso il più breve possibile, protetto contro i danneggiamenti meccanici e la corrosione Giunzioni scelte in modo che resistenza meccanica non sia inferiore a quella del conduttore ed il riscaldamento non sia superiore a quello del conduttore. Devono avere le caratteristiche elettriche necessarie ed essere poste in opera secondo le indicazioni del costruttore

Corrosione scala galvanica dei metalli Litio -3,02 Sodio -2,72 Magnesio -1,80 Alluminio -1,45 Manganese -1,10 Zinco -0,77 Cromo -0,56 Ferro -0,43 Cadmio -0,42 Nickel -0,20 Stagno -0,14 Piombo -0,13 Antimonio +0,2 Rame +0,35 Argento +0,80 Mercurio +0,86 Platino +0,87 Oro +1,5

Comportamento alla corrosione Quando due metalli di potenziale elettrochimico diverso sono fra loro in contatto, in ambiente umido, il metallo di segno negativo si corrode tanto prima quanto più sono distanti i due metalli nella scala Evitare accoppiamento diretto Utilizzare stagnatura, zincatura, nichelatura, cadmiatura ovvero interporre lamina bimetallica anti corrosione Proteggere dall’ambiente circostante mediante nastratura, verniciatura, catramatura, copertura con resine apposite

Presenza di protezioni catodiche L’impianto di terra in presenza di protezioni catodiche devono essere rispettate le corrispondenti Norme UNI ed UNI CEI

NOTA Le protezioni catodiche vengono realizzate o con barre sacrificali eseguite in materiale molto elettronegativo (magnesio) che si consumerà in luogo delle strutture metalliche da proteggere (protezione passiva) La protezione attiva consiste nel disporre dispersori appositi nei quali si inietta un potenziale negativo ( in genere -10V)

Interferenze ad Alta Frequenza Cause Scariche atmosferiche Sovratensioni di manovra Intervento di scaricatori I transitori di corrente possono interferire con i circuiti di comando e controllo e, più in generale, con tutti i circuiti elettronici

Interferenze ad Alta Frequenza Provvedimenti Se la riduzione dei disturbi in alta frequenza si può ricondurre ad un problema di equipotenzialità dell’impianto di terra, basterà adottare provvedimenti per ridurre l’impedenza dei collegamenti

Interferenze ad Alta frequenza Riduzione impedenza collegamenti Percorsi dei conduttori di terra più corti possibile Infittire le maglie della griglia vicino a scaricatori, riduttori di corrente e di tensione, sezionatori Aumentare il numero dei conduttori di uno stesso collegamento distanziandoli Posare i conduttori interrati parallelamente ai circuiti di controllo e comando, ovvero posare un conduttore di terra supplementare parallelamente ai cavi comando, connesso alla rete principale in due o più punti. Collegare in più punti all’impianto di terra le armature del cemento armato per sfruttarne l’effetto di schermo

Interferenze ad Alta Frequenza Stazioni blindate con isolamento in SF6 Sono escluse dall’oggetto della guida I provvedimenti citati a pag. 26 risultano ancora più significativi Si rimanda alle apposite specifiche del costruttore

Masse e masse estranee Vanno sempre messe a terra per masse che hanno funzione statica (tralicci, supporti, ecc. ) basta in un punto se la mancanza di un elemento di collegamento non pregiudica la stabilità, va collegato ogni elemento in genere si deve collegare un elemento che possa essere asportato senza impiego di attrezzi

Un cavalletto di sostegno è una massa? Se si collega la carcassa di un motore installato su un cavalletto al cavalletto stesso, questo deve essere messo a terra Se invece si vuole realizzare il collegamento di terra direttamente alla carcassa del motore, non ci sarà bisogno di collegare anche il cavalletto che non è più una massa Nulla però impedisce di collegarli entrambi

Scaricatori in MT ed AT Vengono connessi al supporto metallico e questo a sua volta è connesso a terra Se lo scaricatore è direttamente connesso a terra non occorre connettere a terra il supporto metallico con esso in contatto, che lo sostiene Se l’isolatore (connesso direttamente a terra) è isolato dal supporto metallico, questo andrà messo a terra

Barriere di protezione contro i contatti diretti Se con continuità metallica devono essere connesse a terra alle estremità ( se i telai sono fissati ai pilastri da dispositivi che richiedano attrezzo per la rimozione) Con sostegni isolanti occorre cavallottare i pannelli ovvero connetterli singolarmente a terra

Parti metalliche che non sono masse né masse estranee Non debbono ma possono essere connesse a terra porte metalliche di cabina in muratura teali metallici di finestre, inferriate, griglie recinzioni metalliche che delimitano aree all’interno di stabilimenti ringhiere, corrimano, guard-rail, paletti con cartelli indicatori

Accessibilità, visibilità, ispezionabilità Per ispezioni e verifiche debbono essre disponibili pianta generale dell’impianto di terra disegni di dettaglio dei conduttori e dei giunti eventuale documentazione fotografica presa durante l’installazione Opportuna indagine a campione per esiti della corrosione

Dimensionamento terra BT in stabilimento con cabina propria Dimensionamento termico di impianto di tipo TT Dimensionamento termico di impianto di tipo TN Protezione contro i contatti indiretti Sistema TT Sistema IT Sistema TN

Dimensionamento termico in TT La situazione si può presentare solo nel caso di dispersori di cabina e di stabilimento separati e quando UT<250V (v. I parte pag 75) La corrente di terra IT che interessa il dispersore è tutta la corrente di guasto IG Il dispersore viene dimensionato secondo la Norma CEI 64-8

Dimensionamento termico in TN In impianto TN-C la corrente di guasto ritorna attraverso il PEN In impianto TN-S il ritorno avviene tramite i PE ed anche attraverso il dispersore ( ad esempio se c’è più di un collettore come avviene negli impianti industriali) Non si hanno ddp fra dispersore e terreno quindi non si ha tensione di passo

Conduttore della maglia (TN) E’ destinato a portare la metà della corrente di guasto La IG dipende dalla impedenza del circuito di guasto, e quindi sarà maggiore in vicinanza del trafo 3 . c . UN IK1 = |2Z1 + Z0| dove IK1 = corrente di corto circuito monofase a terra

Con riferimento alla figura in appendice In corrispondenza della cabina elettrica, i conduttori di terra, ( due per ogni collettore) hanno sezione di 95 mmq. (k=159 o 143) Il conduttore della maglia ha la stessa sezione di 95 mmq. (k=229) Con 1 sec di intervento la maglia può portare 2x21.755 A, il CT nudo può portare 2x15.105A ( ovvero 2x13.585A se isolato)

Determinazione del lato di maglia Non esistono valutazioni teoriche ( non c’è ddp all’interno della maglia, perché non c’è dispersione nel terreno) Necessità pratica di limitare le lunghezze dei tratti di collegamento Studiare sulla planimetria il passaggio di CT e disporre nei pressi i conduttori di maglia

Protezione contro i contatti indiretti Diversi casi Impianto di terra separato da quello di cabina ( Sistema TT ) Sistema IT Sistema TN

Sistema TT Per la presenza in serie dei due impianti di terra separati la RT può assumere valori tali da rendere bassa la IT e quindi l’intervento per I max. RA.Ia <= 50 Dove Ia è la corrente che provoca lo scatto in 5 sec, o, altrimenti qualla differenziale che provoca lo scatto in 1 sec.

Sistema IT Per mantenere l’esercizio con una corrente di primo guasto pari a Id si deve avere: RT . Id <= 50 La Id comunque deve poter consentire una segnalazione Nel caso di secondo guasto si hanno le possibilità esposte alla pagina successiva

Secondo guasto in IT Le masse non fanno parte tutte dello stesso sistema di terra Le masse fanno tutte parte dello stesso sistema di terra Il neutro non è distribuito Il neutro è distribuito

Impianti di terra diversi Si ricade nel caso dell’impianto TT, cioè del circuito di guasto fanno parte oltre le impedenze dei conduttori anche quella del tratto di terreno, con corrente di guasto ancora minore e maggiori difficoltà ad avere protezione per effetto di I max. Occorrerà sicuramente ricorrere a interruttori differenziali

Impianto di terra unico Si ricade nel caso simile al caso TN (vedi in seguito)

Neutro non distribuito da preferire Deve essere soddisfatta la relazione ZS<=U/(2.Ia) Dove U = Tensione fase-fase La corrente Ia è la corrente che fa intervenire le protezioni entro i tempi indicati dalla tabella 41B della Norme CEI 64-8 ( vedi pag successiva )

Tempi interruzione in IT

Neutro distribuito da non preferire Deve essere soddisfatta la relazione ZS<=U0/(2.Ia) Dove U0 = Tensione fase-terra Si considera il guasto fra fase e terra del primo guasto ed fra neutro e terra del secondo come caso peggiore Entrano in gioco l’impedenza di una fase, quella del neutro e quella dei conduttori PE dei due guasti

dove Ia proviene dalla tabella 41A della Norme CEI 64-8 Sistema TN Il sistema TN-S è l’unico che permetta di limitare le tensioni di contatto a valori <50V In tal caso non è richiesta alcuna interruzione del circuito Se invece la tensione di contatto supera i 50 V occorre che sia: ZS . Ia <= U0 dove Ia proviene dalla tabella 41A della Norme CEI 64-8

Tempi interruzione in TN

Perché questi valori? Zf U0 UC0 Zp Zp . U0 0,8 . U0 UC0 = Zf + Zp dove 0,8 è stabilito dalla Norma 64-8 = Zf + Zp 1+ Zf Zp

Perché i valori ? Con fase e protezione della stessa sezione (fino a 25 mmq.) Zp=Zf quindi con U0 = 230 si ottiene per UCO il valore di 92 A questo valore corrisponde sulla curva di sicurezza il tempo di 0,4 sec. Per sezioni superiori a 25 mmq la sezione del PE è la metà della sezione di fase ( UC0 = 122,6 V) ma la norma non ne tiene conto

Conseguenze Se imponiamo che UC0 <= 50 V si può ricavare il valore di Zp ( U0=230V) Risulta Zp = Zf / 2,68 Per ottenere ciò occorrono altri conduttori di protezione supplementari oltre quello incorporato, o più connessioni al collettore Conduttore aggiuntivo di notevole sezione (e bassa Z) parallelo al fascio di cavi di potenza

Esecuzione dell’impianto di messa a terra Tutte le masse debbono essere collegate a terra mediante conduttori di protezione PE Le masse estranee debbono essere collegate a terra mediante conduttori equipotenziali connessi ai connettori

Motori Carcasse collegate al conduttore di protezione princopale o direttamente a terra Pulsantiere connesse al morsetto di terra del motore con lo stesso conduttore Contenitore delle pulsantiere connesso alla carcassa del motore a sua volta messo a terra Pulsantiera connessa direttamente a terra

Motori II Se l’alimentazione è in conduit che porta la terra dovrà essere metallico anche il flessibile Se il fascio di cavi è in passerella, questa sarà collegata al collettore ad inizio e fine Per posa in cunicolo, installare PE connesso ai collettori di terra

Impianto prese Se alimentate con cavo, il PE fa parte dello stesso, idem per connessione in tubo. Le prese possono essere collegate ad un collettore esterno Il PE può essere connesso a diversi collettori in occasione di derivazioni o giunzioni

Impianto luce Per motivi pratici il PE fa parte del cavo di alimentazione Si può però collegarlo in più punti al collettore di terra utilizzando la prima scatola di derivazione o gli interruttori locali

Tubi protettivi metallici E’ consigliabile metterli a terra alle due estremità Occorre aver cura che le giunzioni mantengano la continuità La messa a terra può avvenire anche tramite i supporti (staffe)

Sezione del PE 2 I t S = k Ovvero: la sezione del conduttore PE non deve essere inferiore a : s = sez. fase per sez. fase fino a 16 mmq. s = 16 mmq. per sez. fase fra 16 e 35 mmq. s = metà sez. fase per sez. fase oltre 35 mmq

Conduttori equipotenziali In un impianto industriale si consiglia di adottare la sezione massima prevista: 25 mmq. Sono normalmente eseguiti in corda di rame rivestita di guaina giallo-verde Quando connette due o più apparecchi deve essere continuo per poter rimuovere un apparecchio in sicurezza.

Messa a terra centro stella Viene normalmente fatta nel quadro generale di bassa tensione collegando il neutro alla barra di terra. Questa va connessa all’impianto di terra alle due estremità Nel primo tratto l’impianto risulta TN-C

Misura dell’impedenza dell’anello di guasto ZC UC

Note sulla figura Con la misura la corrente che transita nell’apparecchio fa ricavare UC = ZC . I In che rapporto è UC con la UCG che si stabilisce in caso di reale guasto franco a massa? Poiché l’apparecchio misura l’impedenza dell’anello di guasto, dà la corrente di guasto IG mediante la IG = U0/ZG Conoscendo quindi UC (misurata), IG (calcolata) ed I (misurata) si ricava UCG = UC . IG / I che con terra ben fatta sarà sempre < 50 V

Illuminazione stradale interna Il dispersore può essere costituito da una conduttore nudo parallelo al cavo di alimentazione Il conduttore non deve collegare fra loro i dispersori di due reparti ( anche se fra loro connessi: si altera Zi) Converrà dividerlo a metà e connetterlo alle altre estremità ai due reparti

Drenaggio cariche elettrostatiche Impianti in luogo con pericolo di esplosione Messa a terra di autocisterne Messa a terra di natanti

Luoghi con pericolo di esplosione E’ sufficiente che i collegamenti abbiano una resistenza non superiore a 1 MW Occorre collegare parti metalliche delle pareti. dei tetti, delle incastellature, delle macchine, delle trasmissioni cinghie e nastri trasportatori con contatti striscianti elementi delle tubazioni metalliche che trasportano polveri infiammabili strutture metalliche dei mezzi di trasporto di liquidi infiammabili serbatoi di liquidi infiammabili per il carico di mezzi di trasporto

Modalità per la messa a terra delle strutture in pag precedente Conduttori in piattina di rame stagnata di dimensioni 20x4 mm Corda di rame ricoperta in PVC di sezione 16 mmq. Giunzioni e derivazioni eseguiti con saldatura forte o alluminotermica o con morsetti a pressione o a serraggio con bulloni in acciaio inox

Messa a terra di autocisterne Durante il travaso le sue parti metalliche vanno collegate al serbatoio di travaso Il collegamento del mezzo di trasporto che può essersi caricato elettrostaticamente và eseguito fuori della zona pericolosa, o all’interno di un contenitore Ex-e

Messa a terra dei natanti Da realizzare mediante appositi apparecchi che segnalano mediante lampade la avvenuta messa a terra e consentono l’avviamento delle pompe di carico e scarico solo dopo che la messa a terra sia avvenuta.

Misura della resistenza di terra Con metodo volt amperometrico con sonda di corrente distante almeno 5 volte la dimensione massima dell’impianto di terra Con distanza ridotta e misure succcessive avvicinandosi dall’impianto alla sonda. Il valore assunto è quello del punto di flesso

Configurazione di misura Nelle normali condizioni operative Con funi di guardia allacciate Schermi dei cavi normalmente operativi allacciati Up RT = r . Im Dove Up ed Im sono misurati ed r è il fattore di riduzione dovuto alla presenza di funi di guardia e schermi dei cavi

Misura delle tensioni di passo e contatto La misura è effettuata con apposito apparecchio Uc è misurata fra la parte metallica e due elettrodi ausiliari posti alla distanza di 1 m e con peso di 250 N Up è misurata fra due elettrodi ausiliari posti alla distanza di 1 m e con peso di 250 N

Up ed Uc in condizioni particolari Su terreno ricoperto di ghiaia, asfalto o simili porre sotto l’elettrodo un panno umido e bagnare abbondantemente attorno Su terreno erboso si può sostituire il peso con picchetto infisso nel terreno per 20 cm.

Terra negli Impianti di protezione contro le scariche atmosferiche

Correnti nel parafulmine Primo livello 200 kA Secondo livello 150 kA Terzo livello 100 kA Quarto livello 100 kA

Ripartizione della corrente di fulmine fra le calate Caso 1 : Calate non collegate fra loro a livello del suolo Asta singola tutta la corrente di fulmine Fune tutta la corrente di fulmine Maglia tutta la corrente di fulmine

Ripartizione della corrente di fulmine fra le calate Caso 2 : Calate collegate al livello del suolo Asta singola collegata al dispersore da più calate, la corrente si ripartisce fra esse in ragione inversa della loro lunghezza Fune : si ripartisce secondo la figura di pag 79 Maglia : si ripartisce secondo la figura di pag 80 e quella di pag. 82

Fune c h ( h + c ) kc = ( 2h + c )

Maglia (1 piano) cs cd h

valore di kc 1 cs cd kc = + 0,1 + 0,2 . . 2n h cs 3 6 1 cs cd kc = + 0,1 + 0,2 . . 2n h cs dove n = numero di calate > 2

Maglia più piani . h1 cs cd h2 h3 h4 h5,6 1 kc1 = cd cs + 0,1 + 0,2 .

Figura pag 82 - Considerazioni Come si vede dalla figura, all’aumentare del numero delle interconnessioni, la corrente di fulmine si suddivide sempre di più in funzione del numero delle calate, finché dopo il 4° anello la ripartizione resta costante Considerare comunque l’elevato valore di partenza ( da 100 a 200 kA)

Tipi di dispersore Tipo A ( elementi orizzontali o verticali collegati ad ogni calata senza anello di interconnessione, o con anello interrato per meno dell’80%) Tipo B: di due tipi anello esterno alla struttura dispersore di fondazione

Lunghezza minima degli elementi di dispersore Livello I Livello II Livelli III e IV

Dispersore di tipo A La lunghezza del dispersore verticale è funzione della resistività del terreno e del livello di protezione ( v. fig. pag. 85) e può essere metà I1/2 di quanto risulta dalla curva La lunghezza del dispersore orizzontale deve essere pari alla I1 che risulta dalla curva Se la resistenza di terra è <= 10 W non si parla di lunghezza minima

Dispersore di tipo B Indicando con r il raggio del cerchio equivalente all’area racchiusa dall’anello, deve risultare: r >= I1 Nel caso negativo occorre integrare con elementi orizzontali lunghi I1-r verticali lunghi (I1-r)/2

Dispersori particolari Quando non serve un LPS esterno, ma occorre realizzare un LPS interno, si può utilizzare un dispersore orizzontale di almeno 5 m. ovvero un dispersore verticale di almeno 2,5 m.

Provvedimenti contro le tensioni di contatto Evitare l’avvicinamento delle persone a meno di 20 cm. ( non necessario se: non è prevista presenza di persone calata ricoperta di guaina in PVC da 3 mm la calata è naturale ( pilastro metallico o in c.a.) La resistività del suolo non è inferiore a: 1250 kc - 250 W.m (tipo A) 400 kc. Z - 250 W.m (tipo B) dove Z= resistenza di terra equivalente del dispersore kc = coefficiente di ripartizione della corrente sulle calate

Provvedimenti contro le tensioni di passo Ostacolare la presenza di persone entro un raggio di 5 m dalla calata ( non necessario se: non prevista la presenza di persone la resistività superficiale non è inferiore a: 140 kc. Z - 250 W.m dove Z= resistenza di terra equivalente del dispersore kc = coefficiente di ripartizione della corrente sulle calate

Fine del corso Grazie dell’attenzione