Indice dei contenuti
Spiegazione dei sistemi di messa a terra
Un impianto di messa a terra (IEC) o un impianto di messa a terra (IEEE) collega un sistema di alimentazione elettrica con la superficie terrestre, sia per scopi di sicurezza che funzionali. I sistemi di messa a terra influiscono anche sulla compatibilità elettromagnetica e sono necessari per i sistemi di protezione dai fulmini.
I sistemi di messa a terra rientrano in due categorie: messa a terra del sistema e messa a terra delle apparecchiature.
La messa a terra del sistema è il collegamento intenzionale a terra di un conduttore di fase o di neutro per controllare le sollecitazioni di tensione e i rischi di tensione (tensioni di contatto o di passo) entro limiti di sicurezza.
La messa a terra di un'apparecchiatura consiste nell'interconnettere elettricamente o "legare" tra loro e alla terra le parti conduttrici non soggette a corrente dell'apparecchiatura.
I sistemi di messa a terra devono essere progettati con attenzione. Esistono numerosi standard relativi ai sistemi di messa a terra che il progettista deve prendere in considerazione.
Sistemi di messa a terra a bassa tensione
Terminologia IEC
Terminologia IEC dalla norma IEC 60364-1 [2].
Prima lettera - Relazione del sistema elettrico con la terra:
- T = collegamento diretto di un punto a terra.
- I = tutte le parti in tensione isolate da terra, o un punto collegato a terra tramite un'alta impedenza.
Seconda lettera - Relazione delle parti conduttrici esposte (ECP) dell'impianto con la terra:
- T = collegamento elettrico diretto dei PCE a terra, indipendentemente dalla messa a terra di qualsiasi punto del sistema di alimentazione.
- N = collegamento elettrico diretto degli ECP al punto di messa a terra del sistema di alimentazione (nei sistemi a corrente alternata, il punto di messa a terra del sistema di alimentazione è normalmente il punto neutro o, se non è disponibile un punto neutro, un conduttore di linea).
Lettere successive (se presenti) - Disposizione dei conduttori di neutro e di terra di protezione:
- S = funzione di messa a terra di protezione fornita da un conduttore separato dal conduttore di neutro o dal conduttore di linea (o, nei sistemi a corrente alternata, di fase) collegato a terra.
- C = funzione di neutro e di messa a terra di protezione incapsulati in un unico conduttore (il conduttore PEN).
Sistemi TN
I sistemi TN, o Terre-Neutral, sono sistemi elettrici in cui le parti conduttrici esposte (ECP) sono collegate direttamente a un punto della sorgente con messa a terra solida [1]. I sistemi TN hanno basse impedenze di loop di guasto, ma comportano un rischio maggiore di danni al neutro (con persino un rischio di incendio) a causa delle correnti di guasto più elevate. Inoltre, i dispersori devono essere installati a intervalli regolari (collegati a ciascun conduttore del sistema) per evitare problemi di sicurezza.
I sistemi TN possono essere suddivisi in diversi tipi, a seconda della disposizione dei conduttori.
TN-S
Il TN-S è il primo tipo di configurazione TN. Questa configurazione di sistema è tipicamente utilizzata nelle applicazioni industriali e commerciali, dove due fili diversi fungono da conduttore di protezione e conduttore di neutro [1]. I sistemi TN-S tendono a essere l'opzione più sicura tra le varietà di TN, grazie alla separazione tra la messa a terra di protezione e il neutro, e possono essere utilizzati anche con conduttori flessibili o guaine più piccole.
Come si può vedere nella Figura 1, il sistema TN-S prevede che il neutro e il conduttore di protezione (PE) colleghino la terra, dallo stesso punto, all'ECP utilizzando conduttori diversi. I sistemi TN-S possono essere utilizzati anche in caso di assenza di neutro (come nel caso di un'alimentazione trifase in configurazione a triangolo), purché sia presente un conduttore PE.
TN-C
Il sistema TN-C è il secondo tipo di configurazione TN. A differenza della configurazione TN-S, la configurazione TN-C combina la messa a terra di protezione e il neutro in un unico conduttore. Si tratta di una configurazione tipica delle aziende di servizi pubblici del Nord America, ma non è una pratica raccomandata per i sistemi di alimentazione industriali e commerciali [1]. Uno dei vantaggi dell'utilizzo di un sistema TN-C è la riduzione dei costi, dovuta all'eliminazione di un polo e di un conduttore, ma questo compromesso si traduce in una riduzione della sicurezza (ad esempio un aumento del rischio di incendi o di disturbi dovuti a interferenze elettromagnetiche).
Come si può vedere nella Figura 2, il sistema TN-C si differenzia dal sistema TN-S per la combinazione delle funzioni di PE e neutro in un unico conduttore, il conduttore di terra di protezione e neutro (PEN).
TN-C-S
L'ultimo tipo di sistema TN è quello TN-C-S. In Nord America, il punto di transizione da PEN a PE è tipico dell'interfaccia utility-utente, con l'inclusione di un elettrodo per il collegamento intenzionale a terra all'ingresso del servizio [1]. I sistemi TN-C-S combinano i vantaggi del sistema TN-C con quelli del sistema TN-S, ma con rendimenti ridotti (ad esempio, i sistemi TN-C-S non sono sicuri come i sistemi TN-S e non sono economici come i sistemi TN-C).
Figura 3: Schema di un sistema TN-C-S
Come si può vedere nella Figura 3, il sistema TN-C-S combina la funzione di entrambi i sistemi TN-C e TN-S, dove alcuni ECP saranno collegati a terra tramite il conduttore PEN, mentre altri saranno collegati a un conduttore PE e a un conduttore neutro, entrambi separati dal conduttore PEN iniziale.
Sistema TT
I sistemi TT, o Terre-Terre, sono sistemi elettrici in cui i carichi alimentati sono collegati a elettrodi di terra indipendenti dagli elettrodi di terra collegati alla sorgente [1]. I sistemi TT tendono a non richiedere un monitoraggio continuo (ad eccezione di eventuali RCD, o dispositivi di corrente residua, collegati agli ECP). Un difetto del sistema TT è l'elevata impedenza del loop, che causa alte tensioni di passo e correnti di dispersione, per cui è necessario l'uso di RCD.
Figura 4: Schema di un sistema TT
Dalla Figura 4 si può notare che la messa a terra del sistema avviene in due punti diversi: Il primo è il punto in cui è collegato il conduttore neutro e il secondo è il punto in cui è collegato il conduttore PE. Questi due punti di messa a terra sono indipendenti l'uno dall'altro.
Sistema IT
I sistemi IT, o isolation terre, sono sistemi elettrici in cui la sorgente è isolata dalla terra o collegata ad essa con un'impedenza incredibilmente elevata. Per evitare potenziali danni da correnti di guasto, i sistemi IT possono essere messi a terra sia individualmente che collettivamente [1]. I sistemi IT offrono la migliore continuità di servizio durante il funzionamento (cioè, i guasti di isolamento sono facilmente individuabili ed eliminabili senza grandi interruzioni), ma richiedono anche un elevato grado di manutenzione. Inoltre, l'impedenza del loop di guasto a terra è molto elevata a causa dell'alto livello di isolamento della rete e i sistemi IT corrono il rischio di avere due correnti di guasto simultanee nella rete.
Figura 5: Schema di un sistema IT con ECP collegati a terra individualmente
Figura 6: Schema di un sistema IT con ECP messi a terra collettivamente
Sia la Figura 5 che la Figura 6 mostrano esempi di un sistema IT. Si noti che in entrambi gli esempi il sistema è messo a terra attraverso un'impedenza incredibilmente alta (cioè il circuito aperto) e il conduttore PE è messo a terra separatamente. La Figura 5 mostra un caso in cui gli ECP hanno conduttori PE indipendenti, mentre la Figura 6 mostra un caso in cui gli ECP hanno un conduttore PE comune.
Sistemi DC
I sistemi a corrente continua sono un tipo di messa a terra progettato per la corrente continua piuttosto che per la corrente alternata. Di solito sono messi a terra tramite un polo positivo e uno negativo, utilizzando un sistema a due fili [2]. I sistemi citati hanno un equivalente in corrente continua che differisce dalle loro controparti in corrente alternata dal punto di vista funzionale.
Confronto tra i tipi di messa a terra in bassa tensione
I vantaggi e gli svantaggi dei metodi di messa a terra a bassa tensione sono riassunti di seguito:
Sistemi di messa a terra ad alta tensione
Gli impianti di messa a terra ad alta tensione (oltre 1 kV) hanno tre requisiti fondamentali:
- Sicurezza delle persone.
L'impianto di messa a terra non deve comportare rischi irragionevoli per nessuno, compresi quelli della popolazione.
Il principale pericolo per le persone associato agli impianti di messa a terra è il passaggio di corrente attraverso il cuore, con conseguente fibrillazione ventricolare.
- Protezione delle apparecchiature.
L'impianto di messa a terra deve garantire il funzionamento previsto senza danneggiare alcuna apparecchiatura. In particolare, ciò significa che l'impianto di messa a terra deve essere in grado di (a) resistere alle correnti di guasto; (b) mantenere l'integrità per tutta la durata di vita dell'impianto; (c) evitare danni alle apparecchiature dovuti a un aumento eccessivo della tensione o a flussi di corrente durante i guasti; e (d) contribuire a garantire la compatibilità elettromagnetica del sistema.
- Sicurezza operativa.
Il sistema di messa a terra deve supportare la sicurezza operativa mantenendo un riferimento di tensione affidabile.
Messa a terra solida
Per messa a terra integrale si intende il collegamento di un'alimentazione di sistema, come il neutro di un generatore o di un trasformatore, direttamente a terra senza impedenze interposte. Questo è un modo particolarmente valido per evitare correnti di guasto eccessive. L'efficacia di un sistema con messa a terra può essere determinata confrontando la corrente di guasto a terra con la corrente di guasto trifase. Maggiore è la corrente di guasto a terra rispetto alla corrente di guasto trifase, maggiore è il grado di messa a terra del sistema.
Senza messa a terra
In un sistema non collegato a terra, non esiste alcun collegamento diretto tra l'alimentazione del sistema e la terra. Sono collegati tra loro solo tramite accoppiamento capacitivo [1].
Figura 7: Schema elettrico e diagramma dei fasori per un sistema senza messa a terra
La Figura 7 mostra uno schema di circuito e un diagramma a fasori per un sistema senza messa a terra. Si noti che il sistema è collegato a terra tramite 3 condensatori in parallelo, contrassegnati dalla sigla XCO. Questi rappresentano l'accoppiamento capacitivo attraverso il quale il sistema viene messo a terra. Sia il neutro che la messa a terra di protezione sono messi a terra tramite questa capacità.
Resistenza a terra
Un sistema con messa a terra a resistenza prevede che l'alimentazione del sistema sia collegata a terra tramite un resistore. La limitazione della corrente tramite una resistenza presenta diversi vantaggi, tra cui la riduzione degli effetti di bruciatura e fusione nelle apparecchiature in avaria, la riduzione delle sollecitazioni meccaniche nei circuiti e la riduzione del rischio di scosse elettriche per il personale, per citarne alcuni.
I sistemi di messa a terra a resistenza possono essere a bassa o ad alta resistenza, a seconda del risultato desiderato. I sistemi di messa a terra a bassa resistenza possono essere utili per limitare la corrente di dispersione a terra tra 50 A e 1000A, mentre i sistemi di messa a terra ad alta resistenza sono adatti quando la corrente di dispersione a terra è inferiore a 10A.
Reattanza a terra
Messa a terra risonante e neutralizzatori di guasti a terra
La messa a terra risonante è il collegamento di una reattanza tra il neutro di alimentazione e la terra per eliminare la reattanza in un sistema attraverso la risonanza. I neutralizzatori di guasti a terra sono reattori collegati tra il neutro di alimentazione di un sistema e la terra. Per la messa a terra risonante, la reattanza è appositamente selezionata o sintonizzata per entrare in risonanza con la capacità distribuita del sistema, in modo che la corrente di dispersione a terra diventi prevalentemente resistiva e di bassa entità.
Un sistema con messa a terra a reattanza prevede che il neutro di alimentazione del sistema sia collegato a terra tramite una reattanza (condensatore, induttore, induttanza, ecc.). La messa a terra a reattanza è tipicamente utilizzata quando si desidera limitare l'entità del guasto a terra a un valore simile a quello di un guasto trifase.
Figura 9: Schema di un sistema di messa a terra a risonanza con neutralizzatori di terra
La Figura 9 mostra un esempio di sistema con messa a terra a risonanza, con l'utilizzo di un neutralizzatore di guasto a terra. Si noti che l'introduzione dell'induttore,XL, serve a contrastare gli effetti dell'accoppiamento capacitivo a terra, rendendo la corrente di guasto a terra quasi puramente resistiva.
Confronto tra i tipi di sistemi di messa a terra ad alta tensione
I vantaggi e gli svantaggi dei metodi di messa a terra ad alta tensione sono riassunti di seguito:
| Parametro | Senza messa a terra | Solido | Reattanza di messa a terra | Neutralizzatore di terra | Resistenza Messa a terra | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Reattore a basso valore | Reattore ad alto valore aggiunto | Bassa resistenza | Alta resistenza | ||||
| Corrente per guasto fase-terra in percentuale della corrente trifase | Meno dell'1% | Varia, può essere pari o superiore al 100%. | Di solito sono progettati per produrre dal 25% al 100%. | Dal 5% al 25% | Corrente di guasto quasi nulla | 20% e verso il basso a 100 A e 1000 A | Meno dell'1% ma non meno dell'elemento di carica del sistema, 3ICO |
| Transitorio | Molto alto | Non eccessivo | Non eccessivo | Non eccessivo | Non eccessivo | Non eccessivo | Non eccessivo |
| Carichi da linea a neutro | Non supportato | Supportato | Supportato se la corrente è pari o superiore al 60%. | Non supportato | Non supportato | Non supportato | Non supportato |
| Scaricatori di sovratensione | Tipo senza messa a terra-neutro | Tipo senza messa a terra-neutro | |||||
| Osservazioni | Non è raccomandato a causa delle sovratensioni e della mancata segregazione dei guasti. | Generalmente utilizzato su sistemi (1) a 600 V e inferiori e (2) oltre 15 kV | Non utilizzato a causa di sovratensioni eccessive | Ideale per l'applicazione nella maggior parte dei sistemi industriali e commerciali a media tensione che sono isolati dalla rete elettrica tramite trasformatori. | Generalmente utilizzato su sistemi da 2,4 kV a 15 kV, in particolare quando sono collegate macchine rotanti di grandi dimensioni. | Utilizzato su sistemi fino a 5 kV | |
Approccio basato sul rischio
In generale, è incredibilmente difficile eliminare tutti i pericoli associati agli impianti di messa a terra. La gestione del rischio prevede in genere la minimizzazione dei pericoli a un livello statistico accettabile, piuttosto che la loro eliminazione. Norme relativamente nuove come la AS 2067 [3] forniscono metodologie di calcolo basate sul rischio per la progettazione degli impianti di messa a terra.
I pericoli legati alla tensione di contatto e di passo e l'approccio basato sul rischio
Il rischio più significativo per una persona che utilizza sistemi di messa a terra è il rischio di fibrillazione ventricolare dovuto al flusso di corrente nel cuore. Ciò dipende dalla fisiologia della persona, dalla durata del flusso di corrente, dalla quantità di corrente e dalla possibilità che la corrente interferisca con il ciclo cardiaco della persona. I dettagli sulle probabilità relative agli effetti della corrente sul cuore umano e sull'impedenza cuore/corpo sono riportati nella norma IEC 60479 [4].
Raramente è possibile raggiungere livelli di pericolo trascurabili. La determinazione del livello di pericolo è legata al rischio di fibrillazione e all'utilizzo di calcoli di probabilità, come indicato nella norma IEC 60479.
Se non è possibile ridurre i pericoli, è necessario ricorrere alla valutazione dei rischi. Questa dovrebbe includere il tasso di occorrenza e la durata dei guasti, nonché la frequenza e la durata del contatto per una persona in loco. La riduzione dei rischi deve essere applicata nella misura in cui è ragionevolmente possibile, se il costo non è eccessivamente sproporzionato rispetto al beneficio ottenuto.
Riferimenti:
[1] IEEE Std 3003.1-2019 Recommended Practice for System Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.
[2] IEC Std 60364-1 Impianti elettrici a bassa tensione - Parte 1: Principi fondamentali, valutazione delle caratteristiche generali, definizioni.
[3] AS 2067:2016 Sottostazioni e impianti ad alta tensione superiori a 1 kV c.a.
[4] IEC 60479-1:2018 Effetti della corrente sull'uomo e sul bestiame - Parte 1: Aspetti generali.
