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

Oggetto della Norma La guida riguarda gli impianti di terra di stabilimenti industriali nei quali siano presenti impianti elettrici di I categoria (B.T.) ; II categoria (M.T.) e III categoria (A.T.) I e II categoria (B.T. ed M.T.) solo I categoria (B.T.)

Scopo della Norma Dare indicazioni al progettista o all’installatore per: dimensionare le varie parti dell’impianto costruire l’impianto eseguire le misurazioni necessarie

Finalità dell’impianto di terra Vincolare il potenziale di determinati punti (centro stella) dei sistemi elettrici Disperdere nel terreno correnti sia in regime normale che perturbato, senza danni Assicurare che quanto sopra si effettui in sicurezza senza pericolo di folgorazione Disperdere nel terreno le correnti dell’impianto parafulmine

Tensione di terra E’ il prodotto della corrente dispersa per la resistenza di terra E’ perciò la tensione che l’impianto di terra, con tutte le masse ad esso collegate, assume verso il terreno considerato a distanza infinita (cioè a potenziale zero)

Tensione di contatto E’ la differenza di potenziale fra la parte metallica di un’apparecchiatura, messa in tensione per guasto, ed il terreno su cui è un operatore che tocchi accidentalmente la massa E’ convenzionalmente la tensione mano-piedi, con i piedi distanti 1 m. dalla verticale della massa

Tensione di passo Differenza di potenziale fra due punti del terreno posti alla distanza di un passo convenzionale ( 1 m. ) Corrisponde alla d.d.p. fra due linee equipotenziali affioranti nel terreno nei due punti considerati

Considerazioni sulla figura Per la tensione di contatto, l’uomo corto circuita 1 m. di terreno Se la sua resistenza fosse zero, ai suoi piedi si avrebbe lo stesso potenziale della massa in dispersione. Poiché la sua resistenza non è nulla, la sua presenza si risolve in un avvicinamento del potenziale del terreno a quello della massa. Il suo contatto provoca un rialzo della curva del potenziale La resistenza totale dell’uomo si compone della sua resistenza interna ( convenzionalmente Rc= 1.000 W) in serie con quella tra piedi e terreno detta Rtp. Essendo i due piedi in parallelo la resistenza complessiva vale Rtp/2

Considerazioni sulla figura Per la tensione di passo, considerare lo spostamento radiale rispetto alla massa. La presenza dell’uomo corto circuita il tratto di terreno compreso fra i suoi piedi, provocando una riduzione della d.d.p. sulla superficie del terreno fra questi due punti. Ciò si traduce in un abbassamento della curva del potenziale per il piede più vicino ed in un innalzamento per quello più lontano. Contrariamente al caso della tensione di contatto, in questo caso i due piedi sono fra loro in serie, quindi la resistenza terreno-piede è pari a 2 Rtp, cioè 4 volte maggiore che per la tensione di contatto. Ciò vuol dire che un impianto adeguato nei riguardi della tensione di contatto lo è maggiormente nei riguardi della tensione di passo.

Schemi elettrici corrispondenti U C C R U TP U CO U T T R R U R U R TP TP R PO C P T T R TP Schema per tensione di contatto U Schema per tensione di passo U C P

Norma CEI 11-8 in funzione del tempo di eliminazione del guasto fornisce valore della tensione totale di terra (da non superare del 20%) Tempo in sec. Tensione in V > 2 50 1 70 0,8 80 0,7 85 0,6 125 0,5 e minori 160

Effetti della corrente sul corpo Per maggiori dettagli: Rapporto IEC 479-1 (1984) Rapporto IEC 479-2 (1987) Tradotti nella pubblicazione CEI fascicolo 1335 P (1990)

Rilevanza della tensione di terra Nei sistemi elettrici con neutro a terra (A.T.) la corrente di guasto monofase a terra può raggiungere valori dei kA, ad es. 10 kA conseguentemente anche la tensione di terra raggiunge valori elevati. Ad es. con R=0,5 W la tensione di terra risulta: UT = IT x RT = 10.000 x 0,5 = 5.000 V

Rilevanza delle tensioni di contatto e passo Anche con un valore della tensione di terra così elevato, si possono limitare le tensioni di contatto e passo, le quali, come si vede dallo schema elettrico di pag. 13 sono sempre una frazione, comunque limitata, della tensione totale di terra. Se la Tensione di terra non supera del 20% i limiti ammessi per UC, queste sono rispettate in ogni punto dell’impianto

Possibilità di un esonero con limite dell’80% Con sistema di terra avente perimetro inferiore a 100 m. e comprendente al suo interno tutte le masse, l’esonero dalla verifica di Uc si può portare all’80% (invece del 20%) Ciò potrebbe essere vero anche con impianti di maggiore estensione ma non se ne ha la matematica certezza

Protezione contro le scariche atmosferiche L’impianto di terra che serve anche per le scariche atmosferiche deve soddisfare anche tutte le prescrizioni della Norma CEI 81-1

Drenaggio di cariche elettrostatiche Le strutture che possono essere sede di cariche elettrostatiche (possibilità di innesco di miscela esplosiva in ambienti a pericolo di esplosione) devono essere collegate al dispersore generale.

Definizione delle correnti Corrente di guasto IG è la massima corrente di guasto monofase a terra del sistema elettrico Corrente di terra IT è la quota parte della corrente di guasto IG che l’impianto disperde nel terreno

Alimentazione in b.t. Sono regolati dalla Norma CEI 64-8 Agli impianti per applicazioni residenziali e terziarie è dedicata la Guida CEI 64-12

Impaianti con propria cabina o sottostazione Possono essere alimentati in MT e distribuzione bt in MT con trasformazione MT/MT1, distribuzione in MT o MT1, con cabine MT/bt ovvero MT1/bt e successiva distribuzione bt in AT con trasformazione AT/MT e successiva distribuzione secondo i criteri precedenti

Alimentazione in MT Generalmente a 8,4; 15 o 20 kV gestite con neutro isolato Il circuito di guasto può chiudersi solo attraverso le capacità verso terra della rete (completa) vedi fig. pag. successiva Ig è data dall’ENEL, altrimenti Ig=U(0,003 L1 + 0,2 L2)

Nei sistemi con neutro isolato Ig dipende dalla estensione della rete Ig non dipende dal punto di guasto, ma è la stessa sia che il guasto avvenga vicino al trasformatore di alimentazione sia ai morsetti dell’utente Ig è generalmente modesta da poche decine di A per linee aeree, a qualche centinaio per linee in cavo

Se manca l’apertura automatica Può verificarsi il doppio guasto a terra Se i due guasti sono vicini la corrente Ig può diventare quella del corto circuito fra due fasi assieme a terra ( corto circuito bifase) In questo caso Ig = ( 3 /2). Icc

Alimentazione in AT Nei sistemi AT il neutro è efficacemente a terra Ig è pari alla corrente di corto circuito monofase a terra Dipende solo da potenza di alimentazione impedenza del circuito di guasto non dipende dall’estensione della rete

Calcolo delle correnti di guasto Può venire eseguito secondo la guida CEI 11-25

Percorso e alimentazione di Ig Con ogni tipo di alimentazione non tutta la corrente di guasto viene dispersa nel dispersore Solo la It ( che transita nel dispersore ) è determinante per il calcolo delle tensioni di contatto

Stabilimento alimentato da sorgente esterna

Stabilimento alimentato da sorgente interna

Stabilimento con sorgente esterna (guasto interno)

Stabilimento con sorgente esterna (guasto esterno allo stabilimento)

Guasto fuori dello stabilimento Le due sorgenti sono in parallelo la IT2 che attraversa il dispersore dello stabilimento può essere superiore alla IT della figura a pag 33, se è preminente il contributo dell’autoproduzione L’impianto di terra deve essere dimensionato per la massima corrente in gioco

Circuiti di ritorno Quando non interessano il terreno Funi di guardia Guaine metalliche dei cavi ( se a terra alle due estremità) Il dispersore stesso quando non disperde (Vedi figura pag 32)

Funzioni delle funi e delle guaine Drenare una notevole quantità della corrente di guasto ( vale per le funi e le guaine di cavi che alimentano il guasto) Presentarsi come dispersore ausiliario in parallelo al dispersore dello stabilimento (vale per tutte le funi e le guaine anche se fuori tensione purché collegate a terra - vedi figura pag. 47 )

Fattore di riduzione Si definisce fattore di riduzione ri il rapporto fra la corrente di terra ITi (cioè quella che interessa il dispersore) e la corrente di guasto monofase a terra ( pari a 3 I0 ) fornita dalla linea stessa ri = ITi / 3 I0 dove I0 deriva dal calcolo della corrente di guasto consigliato dalla Norma CEI 11-25. In sostanza 3 I0 = IG

Linea con funi di guardia Il fattore di riduzione dipende dal materiale delle funi dalla loro impedenza omopolare dalle distanze fra funi di guardia e conduttori di fase dalla resistenza dei dispersori dei sostegni di linea dalla resistività del terreno

Valore del fattore r dalla pubblicazione IEC 909-3 Con buona approssimazione, per funi di guardia singole si ha: fune in acciaio zincato r = 0,95 fune in alumoweld r = 0,85 fune in copperweld r = 0,70 NOTA: minore è r minore è la corrente IT

Abaco di esempio (copperweld)

Abaco di esempio Abachi di esempio simili a quello della pagina precedente esistono per i casi di fune di guardia in acciaio zincato una o due funi alumoweld

Valori per il fattore r per cavi in AT in olio fluido o isolamento solido e sezioni da 150 a 1000 mmq. r = 0,25 - 0,30 per cavi fino a 20 kV in carta Cu 95 mmq. e guaina in piombo r=0,2-0,6 Al 95 mmq e guaina in Al r=0,2-0,3 per cavi isolati in XLPE Cu 95 mmq schermo Cu 16 mmq r=0,5-0,6 NOTA L’effetto drenante dei cavi è maggiore

Corrente di terra ridotta Guasto alimentato da una linea: IT = r . IG = r . 3 I0 Guasto alimentato da 2 linee di caratteristiche r1 ed r2 IT = r1 . 3 I01 + r2 . 3 I02

Corrente nella fune di guardia per guasto alimentato da una linea IW = IG - IT = (1 - r) . 3 I0 per guasto alimentato da due linee IW 1 = (1 - r1) . 3 I01 ; IW 2 = (1 - r2) . 3 I02

Funzione come dispersore ausiliario la funzione deriva dal fatto che la successione di celle in cascata formate dalla campata di una fune di guardia e dai dispersori di terra dei sostegni di linea costituisce un circuito disperdente in parallelo al dispersore principale dello stabilimento l’impedenza complessiva va in parallelo a quella del dispersore

Impedenza d’ingresso Zp

Valore di Zp ZW ZP = (1/2) ZW + ZW . RS + 4 ZP = (1/2) ZW + ZW . RS Con riferimento alla figura della pagina precedente: ZW 2 ZP = (1/2) ZW + ZW . RS + 4 la quale poiché ZW è molto minore di Rs si riduce a: ZP = (1/2) ZW + ZW . RS formule per calcolare ZW e ZP nella pubblicazione IEC909-3

Alcuni valori di ZP in modulo e fase per funi singole

IG = 3 . I0 + ITR IT = r ( IG - ITR ) Lo schema della distribuzione della corrente di guasto in uno stabilimento alimentato in entre- esce in AT, con rete con neutro a terra, con autoproduzione locale ( ovvero con trasformatore con neutro messo a terra in stazione) si presenta come nella figura della pagina successiva. La corrente di guasto monofase a terra risulta: IG = 3 . I0 + ITR La corrente che interessa tutti i dispersori vale: IT = r ( IG - ITR )

La resistenza di terra della stazione con i dispersori di guardia collegati vale: 1 ZT = 1 1 +n RT ZP La tensione di terra è UT = IT . ZT La corrente iniettata a terra dal solo dispersore di stabilimento è IRT = IT ( ZT / RT ) Questa corrente va presa nella determinazione delle tensioni di contatto e passo

Rete interna in MT Rete a neutro isolato Rete con neutro a terra attraverso impedenza

Rete con neutro isolato Comportamento diverso con sorgente solo esterna sorgente solo interna (poco frequente) combinazione di 2 casi

Schema semplificato con distribuzione MT intermedia e BT 20 kV 6 kV Utenze bt Utenze MT

Sorgente esterna e rete interna Se non è prevista l'interruzione al primo guasto, conduttore di terra dimensionato per il doppio guasto a terra Non ci sono conseguenze per tensioni di passo e contatto Schema a pagina seguente

Sorgente esterna con autoproduzione interna (fra loro in parallelo) Dispersore dimensionato per la corrente capacitiva di ritorno della rete MT del distributore La corrente dell'autoproduzione si chiude tutta tramite conduttori metallici Per l’esercizio in parallelo prendere accordi con il distributore pubblico

Rete con neutro a terra tramite impedenza Resistenza di basso valore riduce la corrente di guasto dal valore della corrente nominale del trafo ad alcune centinaia di A Resistenza di alto valore riduce la corrente di guasto a alcune decine di A o meno

Con resistenza di basso valore il potenziale del sistema risulta saldamente ancorato a terra e' ridotto al minimo il pericolo di sovratensioni transitorie sono più elevate le correnti sono maggiori le possibilità di danno per guasto a terra

Con resistenza di alto valore sono minori le correnti minori i pericoli per corrente di guasto in macchine, trafo e quadri il sistema è sede di sovratensioni di varia origine

Caratteristiche dei relè di protezione di tipo direzionale (poiché la corrente di guasto è indipendente dal punto di guasto) devono distinguere la componente capacitiva e quella attiva (questa passa nella Resistenza) con bassi valori della IG servono di tipo toroidale

Valore di IG 3 UN IG = Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG UN IG = 3 ZG Con qualunque valore della resistenza di messa a terra la corrente di guasto monofase a terra vale: 3 UN IG = Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG dove UN = tensione nominale della rete ZG = reattanza nominale di messa a terra delle rete MT poiché le impedenze diretta, inversa ed omopolare sono << ZG UN IG = 3 ZG ad esempio una rete a 6 kV con resistenza sul neutro di 40 ohm avrebbe una corrente di guasto di circa 86 A

Neutro e masse MT collegate ad unica rete di terra 6 kV massa in MT ZG la corrente di guasto non transita per il terreno

Neutro e masse collegate a terre distanti anche se interconnesse 6kV massa in MT ZG IG a b Zi caduta di tensione fra terra a e b UT = IG . Zi

Tensioni di contatto e passo dalla formula precedente UT = IG . Zi se inferiore ai limiti previsti dalla norma CEI 11.8 aumentati del 20% o eventulamente dell’80% non occorre fare la verifica altrimenti la verifica è necessaria

Valore di Zi per rame in tubo non ferromagnetico 2 m0 1 d Zi = Ri + w 2 2 2 ( ) . L + ln 2p 4 r dove Ri = resistenza del conduttore in W. r = raggio della sezione del conduttore in m. d = distanza fra fase e protezione in m. L = lunghezza del conduttore in m. m0 = permeabilità dell’aria = 4p.10 H/m. -7

Schema equivalente del circuito di guasto ZG Zi Zi A B IT = IG Zi+RA+RB IG-IT IT RA RB

Considerazioni su IT Se il collegamento di impedenza Zi non è isolato, disperde a sua volta, ma il calcolo resta anche se cautelativo Se gli impianti satelliti fossero più d’uno lo schema si avvicina sempre più a quello di terra generale unica.

Collegamento del neutro della BT all'impianto generale di terra delle installazioni alimentate in MT o AT Si può avere impianto unico separato

Sistema TN-S impianto cabina 1 2 3 N PE

Sistema TN-C impianto cabina 1 2 3 PEN

Dispersore unico I due schemi precedenti sono equivalenti Per guasto su BT la terra deve soddisfare CEI 64-8 Per guasto su MT o AT la terra deve soddisfare CEI 11-8 ( con estensione delle misure di contatto e di passo a tutto lo stabilimento se non soddisfa il valore di RT) NOTA: il PEN è vietato da 64-2

Impianti separati sistema TT impianto cabina 1 2 3 N PE VT < 250 V

Impianti separati - Sistema TN impianto cabina 1 2 3 N PE VT > 250 V

Con terre separate La tensione di terra si ritrova nello stabilimento come sopraelevazione di tensione fra il neutro e le masse E’ consentito ( Norma CEI 11-8) la messa a terra del neutro in cabina AT/MT (sistema TT pag 75) solo se la tensione totale di terra è inferiore a 250 V Altrimenti occorre terra del neutro vicino all’impianto ( sistema TN pag. 76)

Perché 250 V? Tensione totale di terra = 250 V Tensione fra fase e terra circa 250 V Sommate danno 500 V Con fattore di sicurezza 2 si arriva a 1.000V Questa è la tenuta di isolamento che ci si può aspettare in impianti vecchi inizialmente provati a 2.000 V

Con tensione maggiore di 250 V in tale caso occorre verificare che l'avvolgimento del trafo e tutti i componenti della BT nella cabina soddisfino la: Up > 500 + Ut + Uo dove Up tensione di prova verso terra della b.t. (Isolamento) per 1’ a 50 Hz Ut tensione di terra della cabina Uo tensione nominale verso terra della BT

Con dispersori separati Attenzione a elementi che possono collegare le terre quali: Binari Tubazioni Recinzioni Passerelle Cavi ( schermati o armati)

Quando la terra separata Con cabina alimentata in MT ( valore della IG limitato con neutro isolato) la terra separata non si giustifica se non in casi particolari Con cabina alimentata in AT ( neutro a terra ed elevate IG) il problema si presenta in maniera perentoria

Terre separate UT>250V Sistema TT 1 2 3 N 5D>=40m

UT > 250V Il neutro del trafo va portato a terra fuori dell’ambito della terra di AT/MT ( 5 volte la dimensione dell’impianto con minimo di 40m.) Evitare che linee BT escano direttamente dalla cabina, o interporre trafo rapporto 1:1 Deve valere sempre UP>UT+U0+500 O va maggiorato l'isolamento di tutto il carico esterno alimentato da quella linea

Conseguenze del neutro messo a terra all’esterno Ogni volta che il neutro dei trafo è messo a terra all’esterno della stazione o dello stabilimento; la rete deve avere un isolamento che soddisfi: UP > UT + U0 + 500 Perché le masse sono a terra su terra locale, il neutro invece è a potenziale 0

Tensioni trasferite all'esterno dell'impianto di terra possono essere determinate da funi di guardia guaine metalliche masse estranee

Provvedimenti per evitare tensioni di contatto pericolose a causa di tensioni trasferite: Interruzione della continuità metallica Aumento della resistività superficiale Controllo del gradiente sulla superficie per mezzo di griglia supplementare Segregazione della zona pericolosa

Interruzione della continuità metallica Riguarda le masse estranee (tubazioni) sostituire le flange con flange isolate su tubi esterni sostituire tratti di tubi isolati in interrato una o più volte per tratte di 10 m. isolare i tubi ( anche all’interno per evitare conduttività del fluido)

Interruzione della continuità metallica riguarda anche i binari linea non elettrica: si può isolare un tratto di binario della lunghezza massima di un treno linea elettrica: prendere accordi con il gestore

Aumento della resistività superficiale estensione della zona isolata: almeno a distanza di 1,25 m dalla massa strato di pietrisco di 10 cm strato di asfalto di 5 cm strato di gomma o plastica di 2,5 mm pedana isolante

Controllo del gradiente maglia alla profondità di 0,50 m. ed estendentesi per 1 m. oltre il perimetro della massa griglia da connettere al dispersore se la massa è interna al perimetro del dispositivo griglia da non connettere al dispersore se la massa è esterna al perimetro del dispositivo

Segregazione protezione della zona con barriere o parapetti distanti almeno 1,25 m dalle masse barriere munite di cartelli monitori accesso consentito solo a personale addestrato

Tensioni trasferite da funi di guardia contribuiscono ad abbassare la corrente di terra ma possono determinare tensioni di contatto pericolose in corrispondenza dei primi pali della linea aerea la verifica della tensione di contatto Uc va estesa anche ai primi pali nel caso sia maggiore di quella ammessa adottare uno dei provvedimenti di pag. 89

Tensioni trasferite da guaine metalliche quando collegate a terra da ambo le parti, verificare che il guasto in una delle due cabine non produca tensioni di contatto superiori ai valori ammessi nell'altra la guaina si comporta come un collegamento isolato (vedi pagina 66 e 69)

Guaine metalliche interrotte (causa protezione catodica, vengono interrotte al limite dell'impianto di terra) i pozzetti dell'interruzione avranno propria messa a terra separata, le guaine interrotte saranno ivi protette adeguatamente : una messa a terra, l'altra isolata per la tensione di terra della corrispondente cabina attenzione alla sicurezza del personale durante lavori di manutenzione

Masse estranee (recinzioni metalliche) punti critici possibili alla periferia della maglia di terra su recinzioni porte metalliche delle cabine in muratura cancelli

Raccomandazioni per cabina, stazioni o impianti all'aperto recinzioni esterne in materiale non conduttore controllo del gradiente con un conduttore interrato a 0,5 m e 1 metro di distanza, lungo tutta la recinzione ad esso connessa, con collegamento opzionale alla terra locale se vicina: sì altrimenti no; evitare continuità metallica dei pannelli della recinzione isolamento superficiale lungo tutta la zona della recinzione

Cancello esterno: Se nell'ambito della terra locale, con recinzione collegata a detta terra, è sufficiente proteggere la zona di ingresso con isolamento maggiorato (asfalto) Se lontano dalla terra locale ed alimentato elettricamente, può essere necessario un trafo di isolamento sull'alimentazione

Cancello nell’ambito della terra locale

Cancello esterno alla terra di stazione

Recinzioni interne alla rete di terra principale possono non essere messe a terra se non supportano componenti elettrici altrimenti vanno considerate come tutte le altre masse

Interferenze fra impianto di terra e strutture metalliche esterne Interessano strutture metalliche ad andamento longitudinale transitanti in prossimità dell'impianto di terra

Tubazioni quando attraversano la zona di terreno che viene messa in tensione dal dispersore in caso di guasto a terra, essendo esse supposte di lunghezza infinita ed a potenziale zero, fra loro ed il terreno si crea una differenza di potenziale, e quindi una tensione di contatto che potrebbe risultare pericolosa In tale caso occorre ricorrere a giunti isolanti d'accordo con il gestore dell'impianto

Binari Non si può interrompere la continuità metallica con treno elettrico, peraltro basta l'asfaltatura in occasione dei passaggi a livello, e la massicciata lungi i binari

Recinzioni o ringhiere estranee all'impianto Se poste in senso radiale alla terra si possono verificare i seguenti casi: sostegni interrati tutti nella zona di influenza sostegni che si estendono al di fuori della zona di influenza

Sostegni tutti nella zona di influenza

Sostegni interrati tutti nella zona di influenza i paletti assumono lo stesso potenziale (intermedio) che si trasferisce per la continuità metallica sull'ultimo paletto che può dare luogo a pericolose tensioni di contatto

Sostegni parzialmente nella zona di influenza

Sostegni che si estendono al di fuori della zona di influenza e quindi a potenziale 0 Dalla figura si vede che il primo paletto ( a potenziale circa 0 per la sua appartenenza alla recinzione) è soggetto, quando il terreno in caso di guasto disperde, ad una ddp pari quasi alla tensione totale di terra

Proprietà diverse. ( distributore pubblico) I rapporti sono regolati da accordi fra le parti il D.P. generalmente impone le sue condizioni il D.P. deve comunicare corrente di guasto e tempo di intervento (MT) Il cliente resta esclusivo proprietario e responsabile della sua rete di terra

Fine della II giornata Arrivederci al 22 maggio Grazie dell’attenzione