Un’ampia descrizione dei termini usati nella tecnologia di messa a terra è riportata nella CEI EN 62305-3 (CEI 81-10/3) “Protezione contro i fulmini – Danno materiale alle strutture e pericolo per le persone”, CEI EN 61936-1 (CEI 99-2) e CEI EN 50522 (CEI 99-3) “Impianti elettrici con tensioni superiori a 1 kV in corrente alternata”, IEC 60050-826 e IEC 60364-5-54 (HD 60364-5-54) “Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V”. In Germania, la norma DIN 18014 va rispettata per i dispersori di fondazione. Di seguito verranno ripetuti solo i termini necessari per comprendere le spiegazioni seguenti.

Definizioni

Terra

Il terreno viene considerato come il conduttore il cui potenziale elettrico in ogni punto è convenzionalmente uguale a zero. La parola “terra” è utilizzata anche per indicare sia la terra come luogo che la terra come materiale, ad esempio il tipo di terreno: humus, argilla, sabbia, ghiaia e roccia.

Terra di riferimento

Parte superficiale della terra, fuori dall’area di influenza di un dispersore o di un impianto di terra, nel quale tra due punti qualsiasi non si hanno percettibili differenze di potenziale dovute alla corrente di terra (Figura 5.5.1).

Dispersore

Si tratta di un conduttore o più conduttori in contatto elettrico con il terreno, che fornisce un contatto elettrico con il terreno (include anche i dispersori di fondazione).

Impianto di terra

Sistema limitato localmente costituito da dispersori o parti metalliche in contatto con il terreno di efficacia uguale a quella dei dispersori (ad esempio armature di fondazioni in calcestruzzo, guaine metalliche di cavi a contatto con il terreno, ecc.).

Conduttore di terra

È un conduttore che collega una parte dell’impianto da mettere a terra con un dispersore o che collega tra loro più dispersori, posato fuori dal terreno o interrato nel terreno e da esso isolato.

Messa a terra per la protezione contro i fulmini

È la messa a terra di un impianto di protezione contro i fulmini per scaricare verso terra la corrente di fulmine.
Di seguito vengono descritti i tipi di dispersori e la loro classificazione in base a posizione, forma e profilo.

Classificazione secondo la posizione

Dispersore orizzontale

È un dispersore che in genere viene interrato a una profondità di circa 1 m. Può essere costituito da tondi o nastri e può essere disposto in modo radiale, ad anello, a maglia, oppure come una combinazione di questi metodi.

Dispersore verticale

È un dispersore che generalmente si estende in verticale nel terreno a grande profondità. Può ad esempio essere costituito da una barra cilindrica o da altro tipo di profilo.

Dispersore di fondazione

Consiste di uno o più conduttori annegati nel calcestruzzo a contatto elettrico con il terreno su un’ampia superficie.

Dispersore per il controllo del potenziale di terra

È un dispersore, che in base alla sua forma e collocazione, serve più per ridurre il gradiente di potenziale sulla superficie del terreno che per ottenere un definito valore di resistenza di terra.

Dispersore ad anello

Dispersore che, sotto terra oppure alla superficie del terreno, forma un anello chiuso intorno a una struttura.

Dispersore naturale

Si tratta di una parte metallica a contatto con la terra o con acqua direttamente o attraverso calcestruzzo, il cui scopo originale non è la messa a terra, che però funge da dispersore (armature del calcestruzzo, tubature, ecc.).

Classificazione secondo la forma e il profilo

Si possono distinguere: piatto/bandella di terra, dispersore con profilo a croce e dispersore tondo (innestabile).

Tipi di resistenza

Resistività del terreno

ρ_Eè la resistenza specifica del terreno. Viene indicata in Ωm e rappresenta la resistenza tra due lati opposti di un cubo di terra di 1 m.

Resistenza di terra

R_A di un dispersore è la resistenza tra il dispersore e la terra di riferimento. R_A è praticamente una resistenza ohmica.

Impedenza di terra convenzionale

R_st è la resistenza che si riscontra durante il passaggio delle correnti di fulmine tra un punto del sistema dei dispersori e la terra di riferimento.

Tensioni su impianti di terra attraversati da corrente, controllo del potenziale

Tensione di terra

U_E è la tensione che si verifica tra un impianto di terra e la terra di riferimento (Figura 5.5.1).

Potenziale di superficie

𝜑 è la tensione tra un punto della superficie del terreno e la terra di riferimento (Figura 5.5.1).

Tensione di contatto

U_B è la parte del potenziale di terra a cui può essere sottoposta una persona (Figura 5.5.1), considerando che la corrente può fluire attraverso il corpo umano dalla mano al piede (distanza orizzontale dalla massa toccata circa 1 m) oppure da mano a mano.

Tensione di passo

U_S è la parte del potenziale di terra a cui può essere sottoposta una persona con un passo di 1 m, considerando la corrente che scorre attraverso il corpo umano da piede a piede (Figura 5.5.1).

Controllo del potenziale

Influenza dei dispersori sul gradiente del potenziale di terra, principalmente quello superficiale del terreno (Figura 5.5.1).

Collegamento equipotenziale

Per gli impianti di protezione contro i fulmini è il collegamento delle masse metalliche e degli impianti elettrici con l’impianto di protezione contro i fulmini attraverso conduttori, scaricatori di corrente di fulmine o spinterometri.

Resistenza di terra / resistività del terreno

Resistenza di terra R_A

Il passaggio della corrente di fulmine attraverso il dispersore verso terra non avviene in un solo punto, ma interessa una determinata zona attorno al dispersore.
La forma del dispersore e il tipo di collocazione devono quindi essere scelti in modo tale, che le tensioni che agiscono sulla superficie del terreno (tensioni di contatto e di passo) non assumano valori pericolosi.
La resistenza di terra R_A di un dispersore può essere spiegata meglio immaginando una sfera di metallo interrata.
Se la sfera è posizionata a una profondità sufficiente, la corrente si distribuisce in modo uniforme e radiale sopra la superficie della sfera. Questo caso è raffigurato nella Figura 5.5.2 a); per confronto, nella Figura 5.5.2 b) viene raffigurato il caso di una sfera interrata immediatamente sotto la superficie.
I cerchi concentrici attorno alla superficie della sfera rappresentano altrettante superfici a tensione costante. La resistenza di terra R_A è composta dalle resistenze parziali dei singoli strati a sfera collegati in serie. La resistenza di un tale strato a sfera si calcola utilizzando la formula

dove

ρE	corrisponde alla resistività del terreno, considerato omogeneo
l	lo spessore di uno strato a sfera immaginario, e
q	la superficie media di questo strato sferico.

A titolo di esempio, supponiamo di utilizzare una sfera di metallo di 20 cm di diametro interrata a 3 m di profondità, con una resistività di 200 Ωm

Se ora si calcola, per i diversi strati a sfera, l’aumento della resistenza di terra, si ottiene, in base alla distanza dal centro della sfera, una curva simile a quella illustrata in Figura 5.5.3.
La resistenza di terra R_A per il dispersore a sfera si calcola utilizzando la formula:

ρE	Resistività del terreno in Ωm
t	profondità di interramento in cm
rK	raggio del dispersore a sfera in cm

Questa formula fornisce per il dispersore a sfera una resistenza di terra R_A = 161 Ω.
Dal tracciato della curva riportata nella Figura 5.5.3 si evince che la maggior parte della resistenza di terra totale si verifica nelle immediate vicinanze del dispersore. Ad esempio, ad una distanza di 5 m dal centro della sfera, è stato raggiunto già il 90% della resistenza di terra totale R_A.

Resistività del terreno ρ_E

La resistività del terreno ρ_E, determinante per la grandezza della resistenza di terra di un dispersore, dipende dalla composizione del terreno, dall’umidità del terreno e dalla temperatura. Può variare entro dei limiti molto ampi.

Valori per i diversi tipi di terreni

Nella Figura 5.5.4 sono riportati, per i diversi tipi di terreni, i campi di variazione della resistività ρ_E.

Variazioni stagionali

Molte misurazioni hanno dimostrato che la resistività del terreno può variare notevolmente a seconda della profondità di interramento del dispersore. A causa del coefficiente di temperatura negativo del terreno (da α = 0,02 a 0,004) le resistenze specifiche del terreno raggiungono il valore massimo in inverno e il valore minimo in estate. Si consiglia, quindi, di convertire i valori di misura dei dispersori in valori massimi presunti, dal momento che anche in condizioni di tempo sfavorevoli (temperature minime) non devono essere superati i valori ammessi.

L’andamento della resistività del terrenoρ_E in funzione della stagione (temperatura del terreno) può essere rappresentato con un’approssimazione abbastanza buona attraverso una curva sinusoidale, che presenta il valore massimo circa a metà febbraio e il valore minimo circa a metà agosto. Gli studi hanno inoltre dimostrato che per dispersori interrati a una profondità non superiore a 1,5 m, le variazioni massime della resistività del terreno rispetto al valore medio sono di circa ±30% (Figura 5.5.5).

Per dispersori interrati a una maggiore profondità (in particolare i dispersori verticali) le variazioni non superano il ±10%. Sulla base dell’andamento sinusoidale della resistività del terreno riportata nella Figura 5.5.5, la resistenza di terra R_A di un impianto di terra, misurata in un determinato giorno, può essere convertita facilmente nel valore massimo prevedibile.

Misura

Per la determinazione della resistività del terreno ρ_E si utilizza un ponte di misurazione con quattro morsetti, che lavora secondo il metodo dell’azzeramento.
La Figura 5.5.6 illustra lo schema di questo metodo di misura, denominato metodo WENNER. La misura viene effettuata da un punto centrale M fisso, che viene mantenuto per tutte le misure successive. Lungo un tracciato a–a’ segnato sul terreno vengono inserite quattro sonde di misura (paletti di terra con lunghezza da 30 a 50 cm). La resistività del terreno ρ_E si può ricavare dalla resistenza misurata R:

R	resistenza misurata in Ω
e	distanza della sonda in m
ρE	resistività media del terreno in Ωm fino ad una profondità che corrisponde alla distanza della sonda e

Aumentando la spaziatura tra le sonde e regolando nuovamente il ponte di misura della messa a terra, è possibile individuare la curva della resistività del terreno ρ_E in funzione della profondità.

Calcolo delle resistenze di terra

Per i tipi di dispersore utilizzati frequentemente, le formule per il calcolo delle resistenze di terra sono indicate nella Tabella 5.5.1. In pratica sono sufficienti queste formule empiriche. Le formule di calcolo esatte sono riportate nei seguenti paragrafi.

Dispersore	Formula empirica	Grandezza ausiliaria
Dispersore orizzontale (radiale)		–
Dispersore verticale		–
Dispersore ad anello
Dispersore a maglie
Dispersore a piastra		–
Dispersore a semisfera / di fondazione
RA  Resistenza di terra (Ω) ρE  Resistività del terreno (Ωm) l  lunghezza del dispersore orizzontale in m d  Diametro del dispersore ad anello, dell’area equivalente o di un dispersore a semisfera A  Area (m2) circondata da un dispersore ad anello o a maglie a  Lato (m) di un dispersore a piastra quadrata con piastra rettangolare sostituire a con: , dove b e c indicano i due lati del rettangolo V  Volume di un dispersore di fondazione

Dispersore orizzontale rettilineo

I dispersori orizzontali vengono di solito interrati a 0,5 …1 m di profondità. Poiché lo strato di terreno sopra il dispersore in estate si secca e in inverno gela, si calcola la resistenza di terra R_A di questo tipo di dispersore come se si trovasse in superficie:

RA	Resistenza di terra di un dispersore orizzontale rettilineo in Ω
ρE	Resistività del terreno in Ωm
l	Lunghezza del dispersore orizzontale in m
r	Un quarto di larghezza della bandella in acciaio in m o diametro del tondino in m

Dalla Figura 5.5.7 è possibile ricavare la resistenza di terra R_Ain base alla lunghezza del dispersore.

Nella Figura 5.5.8 è raffigurata, per una bandella di terra di 8 m di lunghezza, la tensione di terra U_E in direzione longitudinale e trasversale. Le figure evidenziano l’influenza della profondità di interramento sulla tensione di terra.

Nella Figura 5.5.9 viene raffigurata la tensione di passo US in base alla profondità di interramento.In pratica, il calcolo viene effettuato utilizzando la formula approssimata della Tabella 5.5.1:

Dispersore verticale

La resistenza di terra R_A per il dispersore verticale si calcola utilizzando la formula:

RA	Resistenza di terra in Ω
ρE	Resistività del terreno in Ωm
l	Lunghezza del dispersore verticale in m
r	Raggio del dispersore verticale in m

Approssimativamente, la resistenza di terra R_A può essere calcolata con la formula empirica riportata nella Tabella 5.5.1:

La dipendenza della resistenza di terra R_A dalla lunghezza del picchetto I e della resistività del terreno ρ_Eè rappresentata nella Figura 5.5.10.

Combinazione di dispersori

Quando vengono posati alcuni dispersori verticali in vicinanza (condizionata dalla situazione locale), la distanza tra i singoli dispersori dovrebbe corrispondere almeno alla loro profondità d’inserimento. I singoli dispersori sono da collegare tra di loro.

Le resistenze di terra calcolate in base alle formule e i risultati di misura riportati nei diagrammi valgono sia per la corrente continua che per la corrente alternata a bassa frequenza e a condizione che il dispersore abbia un’estensione relativamente limitata (poche centinaia di metri). Per lunghezze maggiori, ad esempio per dispersori orizzontali, la corrente alternata possiede anche una componente induttiva.
Tuttavia, le resistenze di terra calcolate non valgono per le correnti di fulmine. In questo caso prevale la componente induttiva, che, per una maggiore estensione dell’impianto di messa a terra, può portare a dei valori più elevati dell’impedenza di terra convenzionale.
Aumentando la lunghezza dei dispersori orizzontali o verticali oltre i 30 m, si ottiene solamente una diminuzione insignificante dell’impedenza di terra convenzionale. E’ più conveniente, quindi, combinare più dispersori corti. In tale contesto occorre considerare, che a causa dell’influsso reciproco, l’effettiva resistenza di terra è maggiore rispetto al valore calcolato ipotizzando di collegare in parallelo le singole resistenze.

Dispersori radiali

I dispersori radiali disposti sotto forma di superfici incrociate sono da preferire quando in un terreno ad alta resistività si devono ottenere delle resistenze di terra relativamente basse a costi sostenibili.
La resistenza di terra R_A di un dispersore radiale, con lati disposti a 90° tra loro si può calcolare con la formula:

RA	Resistenza di terra del dispersore in Ω
ρE	Resistività del terreno in Ωm
l	Lunghezza dell’elemento radiale in m
d	Metà larghezza della bandella in m oppure diametro del tondino in m

In prima approssimazione per elementi radiali di grandi dimensioni (I > 10 m) la resistenza di terra R_A può essere calcolata utilizzando la lunghezza complessiva dell’elemento radiale in base alle equazioni riportate in Tabella 5.5.1.

La Figura 5.5.11 illustra il percorso della resistenza di terra R_A dei dispersori radiali in base alla profondità di interramento. La Figura 5.5.12 illustra il percorso della tensione di terra.
Per i dispersori radiali l’angolo tra i singoli raggi deve essere maggiore di 60°.
Secondo la Figura 5.5.12, per la resistenza di terra di un dispersore a maglia vale la formula:

dove d è il diametro del cerchio equivalente, cioè con la stessa superficie del dispersore a maglia. Esso si determina come segue.
Per misure rettangolari o poligonali del dispersore a maglia:

A	superficie del dispersore a maglia in m2

Per forme quadrate (lunghezza del lato b):

La Figura 5.5.13 illustra il percorso della resistenza di terra impulsiva di dispersori orizzontali a uno o più raggi per tensioni impulsive rettangolari.
Da questo diagramma si può intuire che a parità di lunghezza è più conveniente installare un dispersore radiale piuttosto che un dispersore orizzontale con un unico elemento.

Dispersori di fondazione

La resistenza di terra di un conduttore metallico nella fondazione in calcestruzzo può essere calcolata approssimativamente con la formula per dispersori emisferici:

dove d è il diametro della semisfera equivalente, cioè con lo stesso volume della fondazione

V	volume della fondazione in m3

Per il calcolo della resistenza di terra occorre osservare che il dispersore di terra può essere efficace solamente se il corpo in calcestruzzo presenta una grande superficie di contatto con il terreno circostante. I rivestimenti isolanti e idrorepellenti aumentano notevolmente la resistenza di terra oppure isolano il dispersore di fondazione (vedere 5.5.2).

Dispersori verticali collegati in parallelo

Per mantenere entro limiti ragionevoli le influenze reciproche, le distanze tra i singoli dispersori collegati in parallelo non dovrebbero essere inferiori alla profondità di infissione.
Se i singoli dispersori sono disposti pressapoco a cerchio e hanno la stessa lunghezza, la resistenza di terra può essere calcolata come segue:

Dove R_A è la resistenza di terra media del dispersore singolo. Il fattore di riduzione p in base alla lunghezza dei dispersori, la distanza tra i singoli dispersori e il numero degli stessi può essere ricavato dalla Figura 5.5.14.

Combinazione di dispersori orizzontali e verticali

Se con i dispersori verticali si ottiene una resistenza di terra sufficiente, ad esempio per la maggiore umidità del terreno negli strati più profondi, i dispersori verticali devono essere infissi il più vicino possibile agli oggetti da proteggere. Se è necessario un collegamento lungo, sarà utile posare in parallelo un dispersore radiale supplementare a più elementi, per abbassare la resistenza durante il fronte di salita della corrente.
La resistenza di terra di un dispersore orizzontale con dispersore verticale può essere calcolata come se la bandella del dispersore orizzontale fosse stata prolungata per la profondità di infissione del dispersore verticale.

Dispersore ad anello

Per dispersori ad anello di forma circolare con grande diametro (d > 30m), la resistenza di terra viene calcolata in modo approssimativo con la stessa formula utilizzata per il dispersore orizzontale (per la lunghezza del dispersore viene utilizzata la circonferenza π⋅d):

r	raggio del tondino oppure un quarto della larghezza del dispersore a bandella in m

Per dispersori ad anello non a forma circolare, il calcolo della resistenza di terra viene effettuato usando il diametro d di un cerchio equivalente, cioè con stessa superficie:

A	superficie racchiusa dal dispersore ad anello in m2

Realizzazione

Secondo le norme IEC (in Italia CEI), per ogni impianto da proteggere è necessario un impianto di terra separato, che deve essere perfettamente funzionante anche senza l’utilizzo di tubature metalliche o conduttori dell’impianto elettrico messi a terra.
Il valore della resistenza di terra R_A riveste solo un’importanza secondaria per la protezione contro i fulmini di un edificio o di un impianto. E’ invece importante che il collegamento equipotenziale sia continuo e uniforme a livello del suolo e che la corrente di fulmine si distribuisca nel terreno senza creare pericolo.
La corrente di fulmine eleva l’oggetto da proteggere al potenziale U_E

rispetto al potenziale di terra.
Il potenziale di superficie diminuisce con l’aumentare della distanza dal dispersore (Figura 5.5.1).

La caduta di tensione induttiva sul dispersore durante l’aumento della corrente di fulminee deve essere considerata solo per impianti di messa a terra estesi (ad esempio in caso di lunghi dispersori orizzontali, necessari in terreni con sottosuolo roccioso ad alta resistività). In generale la resistenza di terra è determinata solo dalla componente ohmica.

Il potenziale di terra U_E presenta il suo valore massimo rispetto ai conduttori isolati entranti nell’edificio.
Per evitare il rischio di scariche, tali conduttori vengono collegati con l’impianto di messa a terra attraverso spinterometri o, in caso di conduttori sotto tensione, tramite dispositivi di protezione da sovratensione (vedere il catalogo principale DEHN sulla protezione da sovratensioni) in modo da realizzare un collegamento equipotenziale.

Per ridurre al massimo le tensioni di contatto e di passo, è necessario limitare i valori della resistenza di terra.

L’impianto di messa a terra può essere realizzato come dispersore di fondazione, dispersore ad anello e, per edifici con grandi superfici, come dispersore a maglie; in casi particolari anche come dispersore unico.
I dispersori nelle fondazioni devono essere conformi alle prescrizioni della norma tedesca DIN 18014 (norma italiana CEI EN 62305).
Il dispersore di fondazione deve essere realizzato come anello chiuso e deve essere posto nelle fondazioni delle pareti esterne dell’edificio oppure nelle piastre di fondazione secondo la norma DIN 18014. Per edifici di più grandi dimensioni, il dispersore di terra dovrebbe avere dei collegamenti trasversali, in modo da non superare la grandezza massima delle maglie di 20 m x 20 m.
Il dispersore di fondazione deve essere installato in modo che venga circondato da tutti i lati dal calcestruzzo.
Deve essere eseguito un collegamento tra dispersore di fondazione e barra equipotenziale nel punto di fornitura dell’energia elettrica. Secondo le norme IEC 62305-3 (EN 62305-3), il dispersore di fondazione deve essere provvisto di capicorda per collegare le calate della protezione contro i fulmini esterna ai dispersori.

A causa del pericolo di corrosione sul punto di uscita dei capicorda di collegamento dal calcestruzzo, va prevista una protezione aggiuntiva contro la corrosione (rivestimento in PVC o meglio utilizzo di acciaio inossidabile, per esempio AISI/ASTM 316 Ti).
L’armatura delle fondazioni a piastre o a nastro può essere utilizzata come dispersore di terra, purché i necessari capicorda siano collegati alle armature e queste ultime siano collegate tra loro in modo da condurre correnti elettriche.
I dispersori orizzontali devono essere posati ad una profondità non inferiore a 0,5 m.

L’impedenza di terra convenzionale dei dispersori dipende dal valore massimo della corrente di fulmine e dalla resistività del terreno (si veda anche la Figura 5.5.13). La lunghezza efficace del dispersore attraversato dalla corrente di fulmine viene calcolata approssimativamente come segue:

dispersore orizzontale:

dispersore verticale:

leff	lunghezza efficace del dispersore in m
î	Valore di picco della corrente di fulmine in kA
ρE	Resistività del terreno in Ωm

L’impedenza di terra convenzionale R_st può essere calcolata con le formule riportate nella Tabella 5.5.1, utilizzando come lunghezza I la lunghezza efficace del dispersore Ieff.
I dispersori orizzontali sono vantaggiosi quando gli strati superiori del terreno presentano una resistività inferiore a quella del sottosuolo.
Per un terreno relativamente omogeneo (quando la resistività del terreno in superficie e in profondità è circa uguale), i costi di realizzazione per dispersori orizzontali e verticali, a pari valore di resistenza di terra, si equivalgono.

Secondo la Figura 5.5.15, per un dispersore verticale serve una lunghezza pari a circa la metà di un dispersore orizzontale.
Se il terreno presenta in profondità una conduttività più favorevole che in superficie, ad esempio grazie alla presenza di acqua sotterranea, un dispersore verticale è generalmente più conveniente di un dispersore orizzontale.

In casi specifici, la scelta tra dispersore verticale o orizzontale può essere decisa solo attraverso la misura della resistività del terreno in base alla profondità.
Poiché con dispersori verticali è possibile ottenere dei valori di resistenze di terra ottimali e costanti senza dover ricorrere a costosi lavori di scavo e danneggiare il terreno, questi dispersori sono adatti anche al miglioramento di impianti di messa a terra già esistenti.