I dispersori sono di importanza vitale per il funzionamento di un sistema di alimentazione. I compiti principali di un sistema di dispersori correttamente funzionante sono quelli di costituire una protezione contro l’alta tensione e una messa a terra a bassa tensione, garantire misure di protezione e limitare la tensione ai valori massimi ammissibili anche in caso di guasto, costituire la base per tutti i collegamenti equipotenziali e le misure di protezione contro i fulmini, nonché garantire la sicurezza delle persone e dei beni materiali. Malgrado ciò, l’esperienza e la discussione in merito ai sistemi di dispersori sono sottovalutati. I sistemi di dispersori sono spesso presi come dati senza porre alcun dubbio. Pertanto, in questo capitolo verranno descritte le principali basi fisiche e normative e le possibili soluzioni tecniche.

Riferimenti normativi

Di solito, in una cabina di trasformazione si applicano i requisiti relativi ai sistemi ad alta e bassa tensione. Si applicano le seguenti norme:

• IEC 61936-1 (EN 61936-1): Impianti elettrici con tensione superiore a 1 kV in corrente alternata
• EN 50522: Messa a terra degli impianti a tensione superiore a 1 kV in corrente alternata
• IEC 62271-202 (EN 62271-202): Sottostazioni prefabbricate ad alta tensione/bassa tensione
• IEC 60364-4-41 (HD 60364-4-41): Impianti elettrici a bassa tensione – Parte 4-41: Protezione per la sicurezza – Protezione contro le scosse elettriche
• IEC 60364-5-54 (HD 60364-5-54): Impianti elettrici a bassa tensione – Parte 5-54: selezione e montaggio di impianti elettrici – Messa a terra e conduttori di protezione
• IEC 62305-3 (EN 62305-3): Danno materiale alle strutture e pericolo per le persone
• DIN 18014: Dispersori di fondazione – criteri di pianificazione generale (norma tedesca)
• DIN VDE 0151: Materiale e dimensioni minime dei dispersori di terra rispetto alla corrosione (norma tedesca)

Termini e definizioni Importanti

I dispersori di terra sono definiti come conduttori non isolati a contatto con il suolo. Un sistema limitato localmente di dispersori di terra interconnessi viene definito sistema di dispersori. Il sistema di dispersori è collegato alla parte di un impianto da collegare a massa tramite il conduttore di massa e la barra principale di messa a terra. La resistenza di terra RE (massa remota) può essere determinata in funzione della resistività di terra ρ.

La messa a terra di una parte non collegata è definita messa a terra di protezione, mentre la messa a terra di un punto del circuito operativo, come il neutro di un trasformatore, è definita messa a terra operativa. Se scorrono delle correnti nel sistema di dispersori in caso di guasto, il potenziale di terra può essere calcolato come segue:

U_E = aumento del potenziale di terra
I_E = aumento del potenziale di terra
Z_E = impedenza di terra

In funzione della distanza, la superficie del potenziale di terra j sale tra il sistema dei dispersori e la terra remota. Una persona che si avvicina al punto di guasto è esposta alla tensione di passo, e una persona che entra in contatto la parte difettosa dell’installazione è esposta alla tensione di contatto U_T. Per ridurre l’eventuale tensione di passo si possono adottare misure atte a controllare il potenziale. Tutte le parti conduttrici all’interno dell’impianto elettrico sono integrate nel sistema equipotenziale. Il termine potenziale trasferito significa che i potenziali elettrici possono essere trasferiti in zone dove è presente un diverso o nessun aumento di potenziale, mediante un conduttore (ad esempio schermatura del cavo, conduttore PEN) collegato al sistema dei dispersori. I sistemi globali di dispersori sono definiti come un’area chiusa dove tutti i sistemi di dispersori dell’area agiscono come un’unica grande maglia di dispersori. Un sistema globale di dispersori (impianti industriali, aree residenziali) si può ipotizzare se nella zona chiusa sono installati più di dieci maglie di dispersori. In caso di guasto si forma un’ampia superficie quasi equipotenziale, nella quale per definizione non si verificano più pericolose tensioni di contatto (Figura 5.9.1). U_TP = 80 V è definita come la tensione di contatto massima ammissibile nei sistemi ad alta tensione in caso di guasto (periodo di disconnessione > 10 s). La tensione di contatto massima ammissibile negli impianti di bassa tensione è 50 V c.a. Questi valori deve essere assicurati in tutti i casi.

Configurazioni del sistema e relative correnti verso massa

Gli impianti di media tensione possono funzionare come sistemi con neutro isolato, sistemi con neutro a terra a bassa impedenza, sistemi con neutro collegato direttamente a terra o sistemi con neutro collegato induttivamente a terra (sistemi compensati). In caso di guasto a terra, quest’ultimo sistema permette di limitare il flusso di corrente capacitiva nel punto di guasto alla sola corrente differenziale di guasto verso terra I_RES per mezzo di una bobina di compensazione (bobina di soppressione con induttanza L=1/3 ω C_E) ed è quindi ampiamente utilizzato. Solo questa corrente differenziale (tipicamente fino al max. 10% della corrente di guasto verso terra non compensata) va a caricare il sistema dei dispersori in caso di guasto. La corrente residua viene ulteriormente ridotta collegando la massa locale ad altri sistemi di massa (ad esempio mediante l’effetto di connessione della schermatura dei cavi di media tensione). A tal fine viene definito un fattore di riduzione r. Se un sistema ha una possibile corrente di guasto capacitiva verso terra di circa 150 A, si assume una corrente di guasto residua massima verso terra di circa 15 A, che va a caricare i dispersori di terra locali. Se i dispersori di terra locali sono collegati ad altri sistemi di dispersori, questa corrente viene ulteriormente ridotta. L’aumento del potenziale di terra sarebbe:

I_E = corrente verso terra
I_C = corrente di guasto verso terra capacitiva
I_L = corrente nominale della bobina di soppressione dell’arco
I_RES = corrente di guasto residua verso terra
I”_kEE = doppia corrente di guasto verso terra
I’_k1 = corto-circuito da linea a terra
I_N = corrente nominale
r = fattore di riduzione (ad esempio per schermature dei cavi)

Dimensionamento del sistema dei dispersori rispetto all’aumento del potenziale di terra

Durante la pianificazione delle misure di messa a terra per un impianto di media tensione, bisogna determinare il possibile aumento del potenziale di terra UE. Se U_E < 2xU_TP, l’au- mento del potenziale di terra è valutato correttamente. Se U_E < 4 x U_TP , vanno attuate delle misure di compensazione (ad esempio, il controllo del potenziale). In casi particolari devono essere prese misure aggiuntive; la procedura esatta è descritta nella Figura 5 della norma EN 50522. Per definizione, l’aumento della tensione non è eccessivo se il relativo impianto fa parte di un sistema globale di dispersori. I sistemi TN e TT sono comunemente usati come sistemi di distribuzione di bassa tensione, quindi le altre configurazioni del sistema non vengono qui considerate. In particolare per i sistemi TN, la tensione potrebbe essere trasferita nell’impianto del cliente in caso di guasto. L’aumento di tensione in un conduttore PEN non deve superare i 50 V nei sistemi TN e 250 V nei sistemi TT. In questo contesto, IEC 60364-4-41 (HD 60364-4-41) si riferisce al cosiddetto equilibrio della tensione. Ciò è garantito se

dove

R_B = è la resistenza totale di tutti i dispersori di terra
R_E = è la resistenza di contatto verso massa di un possibile punto di guasto
U₀ = è la tensione nominale rispetto alla massa di 230 V
U_B = è la tensione di contatto massima accettabile di 50 V

Pertanto, si applica la formula seguente: RB / RE ≤ 0,27. Se si assume una resistenza di contatto accidentale di 10 Ω (tipico valore empirico) al punto di guasto, RB deve essere ≤2,7 Ω. In pratica, dunque, si impiega spesso un limite massimo di R_B = 2 Ω per il funzionamento del sistema. Questa resistenza totale verso terrea della massa della cabina di trasformazione deve essere documentata prima della messa in servizio e deve essere controllata a intervalli regolari.

Dimensionamento del sistema dei dispersori rispetto alla portata di corrente

Per dimensionare la portata di corrente dei conduttori di messa a terra e dei dispersori vanno esaminate diverse possibili situazioni negative. Negli impianti di media tensione, un doppio guasto a terra sarebbe il caso più critico. Un primo guasto a terra (per esempio presso un trasformatore) può causare un secondo guasto a terra in un’altra fase (per esempio nel sistema a media tensione, il terminale difettoso di un cavo). In questo caso, una doppia corrente di guasto verso terra I”_kEE, che è definita come segue in base alla tabella 1 della norma EN 50522, scorre nei conduttori di messa a terra (Tabella 5.9.1):

 

Tipo di sistema ad alta tensione	Rilevante per le sollecitazioni termiche		Rilevante per la salita del potenziale di terra e per la tensione di contatto
	Dispersore	Conduttore di terra
Sistemi con neutro isolato
Sistemi con messa a terra risonante (comprese le brevi correnti verso terra dovute alla rilevazione dei guasti)
Cabine senza bobine per la soppressione dell’arco
Cabine con bobine per la soppressione dell’arco		a)
Sistemi con messa a terra del neutro a bassa impedenza (comprese le brevi correnti verso terra dovute alla commutazione)
Cabine senza neutro a terra
Cabine con neutro a terra			b)
a) I conduttori di terra delle bobine di soppressione dell’arco vanno dimensionate secondo la massima corrente nella bobina. b) Bisogna controllare se i guasti esterni possono essere decisivi.

I”_k = corrente di corto circuito simmetrica iniziale tripolare

In un impianto a 20 kV con una corrente iniziale di corto circuito I”_k di 16 kA e un tempo di disconnessione di 1 secondo, la doppia corrente di guasto verso terra sarebbe di 13,6 kA. La portata di corrente dei conduttori di messa a terra e delle barre di terra dell’edificio dove si trova la cabina di trasformazione deve essere valutata in base a questo valore. In questo contesto si può considerare la partizione della corrente in caso di un anello (nella pratica si usa un fattore di 0,65). Secondo la Tabella 9.5.1, il dispersore deve avere lo stesso valore nominale del conduttore di massa, fatta eccezione per gli impianti con bobina di soppressione dell’arco (sottostazioni di trasformazione). La corrente di guasto spesso si divide tra i dispersori, quindi è consentito dimensionare i dispersori e i conduttori di terra per una parte della corrente di guasto. La progettazione deve essere sempre eseguita sulla base dei parametri effettivi del sistema. La Tabella 5.9.2 riporta la portata di corrente di diverse sezioni e materiali. La sezione di un conduttore può essere determinata in base materiale e al tempo di disconnessione. La norma EN 50522 specifica la massima densità di corrente di corto circuito G (A/mm²) per diversi materiali (Figura 5.9.1). In caso di un sistema compensato, ad esempio, la messa a terra del sistema dei dispersori (vale a dire la parte a diretto contatto col terreno) è caricato con una corrente considerevolmente inferiore, cioè solo con la corrente differenziale di guasto verso terra

ridotta del fattore r (Tabella 5.9.1). Questa corrente non supera qualche decina di ampere e può scorrere in permanenza senza problemi, se si utilizzano sezioni normali del materiale di messa terra. Nell’impianto a bassa tensione, un guasto a terra su una fase tra il trasformatore e il magnetotermico principale della bassa tensione costituisce un guasto grave. In caso di guasto verso terra dell’avvolgimento di un trasformatore di bassa tensione (ad esempio attraverso il contenitore messo a terra del trasformatore stesso), passerebbe una corrente monofase I”_k1, verso la barra di terra. Da lì, il circuito di guasto si chiude attraverso il conduttore di protezione della linea distribuzione a bassa tensione e il conduttore PEN verso il neutro del trasformatore. In questo caso, il magnetotermico del trasformatore o del relativo sezionatore/fusibile, scollega l’impianto sul lato ad alta tensione. Il conduttore di protezione/massa nell’ambiente di installazione si dimensiona in base alla sezione 543.1.2 della norma IEC 60364-5-54 (HD 60364-5-54). La sezione deve es- sere calcolata come segue:

Dove, secondo la Tabella A 54.2 della norma, il fattore del materiale k (isolato, termoplastico) è di 143 nel caso di una linea in rame, I è la corrente di corto circuito e t la durata del flusso di corrente (Figura 5.9.2). È estremamente difficile calcolare la corrente di guasto effettiva, dato che dipende dalla potenza nominale del trasformatore S_N, dalla tensione di pilotaggio, dalla tensione di cortocircuito u_ke e dalla rispettiva impedenza dell’anello di guasto (che può essere determinata solo mediante misurazioni). Una veloce analisi è possibile solo in misura limitata, considerando la simmetria iniziale della corrente di corto circuito I”_k (corto-circuito all’incirca tripolare come stato definito) che può essere calcolata mediante la potenza nominale del trasformatore, la tensione nominale e la tensione di cortocircuito, secondo la seguente equazione:

In caso di un trasformatore da 630 kVA con u_k = 4% e U_N = 400 V, la corrente di corto circuito inizialmente simmetrica I”_k sarebbe ad esempio 22,7 kA. Nel nostro esempio, con un impianto a 20 kV, il trasformatore deve essere protetto per mezzo di fusibili HH con una corrente nominale da 31,5 a 50 A sul lato ad alta tensione. Con un rapporto di trasformazione n pari a 50, la corrente di corto circuito sarebbe trasformata nel lato ad alta tensione in circa 450 A e fonderebbe i fusibili HH secondo la loro curva caratteristica a una corrente nominale di 31,5 A in circa 25 ms (su tutti i poli). Secondo l’equazione

Il conduttori di rame di protezioneo iconduttori di collegamento a terra nella cabina di trasformazione dovrebbero avere una sezione minima S_min = 25 mm². In pratica, questo valore viene arrotondato a 50 mm². Si deve osservare che nel caso di trasformatori più grandi e di conseguenza con correnti più elevate, insieme ai tempi di disconnessione più lunghi, le sezioni dei conduttori di messa a terra e di protezione possono essere notevolmente superiori. Il sistema dei dispersori stessi (vale a dire la parte a diretto contatto con il terreno) non è sollecitato in caso di questo tipo di guasto. Sul lato di bassa tensione, le correnti passano solo attraverso il sistema dei dispersori in caso di guasto verso terra all’esterno della cabina di trasformazione. La corrente

che torna verso il neutro del trasformatore attraverso il sistema dei dispersori della cabina di trasformazione, si verifica in corrispondenza del punto di guasto. Nel caso di una tensione tra linea e massa di 230 V, di una resistenza R_E di qualche ohm e di una resistenza di terra della cabina di trasformazione R_B di circa 2 Ω, questa corrente è non è critica. La corrente non supera alcune decine di ampere, sicché non c’è da attendersi un sovraccarico se si rispetta il valore massimo della resistenza verso terra.

Realizzazione pratica dei dispersori per cabine di trasformazione

Il sistema dei dispersori di una cabina di trasformazione (Figura 5.9.3) deve essere progettato secondo la norma IEC 61936-1 (EN 61936-1) e la norma EN 50522, considerando i parametri del sistema locale ottenuti dal gestore della rete di distribuzione. Un sistema di dispersori tipicamente consiste di diversi dispersori orizzontali, verticali o inclinati, interrati o infissi nel terreno. In Germania, l’uso di prodotti chimici per migliorare la resistenza di terra non è una pratica comune e non è raccomandato. I dispersori devono essere tipicamente interrati a una profondità che varia da 0,5 m a 1 m sotto il livello del terreno. Questo fornisce una sufficiente protezione meccanica e contro il gelo. I picchetti di terra sono generalmente interrati nel suolo (Figura 5.9.4). I dispersori verticali o inclinati sono particolarmente vantaggiosi, in quanto la resistività del suolo diminuisce con la profondità. I valori tipici della resistività del suolo in funzione del tipo di terreno sono riportati nella Figura 5.5.4 della sezione 5.5. In generale, viene installato un dispersore ad anello (dispersore che consente la diluizione del potenziale) a una profondità di circa 0,5 m, a una distanza di circa 1 m circa dall’edificio della cabina di trasformazione. La resistenza di terra viene spesso migliorata infiggendo nel terreno un picchetto di terra (lunghezza tipica di circa 6 m). In aggiunta, un dispersore a nastro lungo qualche decina di metri viene spesso disposto lungo il cavo in cavo trincea. In pratica, un normale sistema di dispersori è preferibile sui lati ad alta e bassa tensione. In questo contesto, i requisiti relativi alla tensione di contatto e all’aumento della tensione specificati nella tabella 2 della norma IEC 61936-1 (EN 61936-1) deve essere osservata in impianti a bassa tensione. Pertanto, sistemi di dispersori isolati possono essere richiesti in casi particolari, specie in linee aerea o n caso di terminazioni cieche. Tali casi vanno esaminati in modo specifico. L’ingresso del sistema dei dispersori nella cabina di trasformazione è isolato, per evitare il contatto con l’armatura dell’edificio, che influenzerebbe negativamente il risultato delle misure. Il sistema dei dispersori esterno è collegato con la barra di terra principale per mezzo di un morsetto di disconnessione. Se il morsetto di disconnessione è chiuso, è possibile misurare la resistenza di terra totale. Se il morsetto di disconnessione è aperto, è possibile misurare la resistenza di terra dell’impianto. Come già descritto in precedenza, una resistenza di terra totale della cabina R_B di circa 2 Ω è sufficiente. I gestori delle reti di distribuzione tedesche fanno spesso riferimento a tale valore nelle specifiche tecniche del servizio. Pertanto, è spesso utile determinare approssimativamente la resistenza totale verso terra prima di installare il sistema dei dispersori. La Tabella 5.5.1 del capitolo 5.5 include formule per la determinazione approssimativa della resistenza di terra di vari dispersori interrati. Quando si scelgono i materiali per i dispersori occorre considerare non solo la loro portata in corrente (Figura 5.9.5), ma anche il comportamento nei riguardi della corrosione, come descritto in seguito.

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

Scelta dei materiali di un dispersore considerando il comportamento nei riguardi della corrosione

Se vengono scelti materiali adeguati, il pericolo di corrosione per i dispersori può essere ridotto o anche prevenuto. Per raggiungere una durata sufficiente vanno rispettate le dimensioni minime dei materiali. I valori esatti sono specificati nella tabella 3 della normativa tedesca DIN VDE 0151.

Rame nudo

A causa della sua posizione nella serie elettrolitica il rame nudo è estremamente resistente. In aggiunta, è protetto catodicamente quando viene collegato ai dispersori o ad altri sistemi interrati realizzati in materiali meno nobili (ad esempio, acciaio), a scapito tuttavia di questi ultimi.

Acciaio zincato a caldo

Quando si usa materiale zincato per i dispersori interrati, bisogna fare attenzione al comportamento nei confronti della corrosione. In caso di cabine di trasformazione, l’acciaio zincato è di solito incorporato nel calcestruzzo (presso la lastra di fondazione dell’edificio). Questo dispersore incorporato nel calcestruzzo è collegato al dispersore ad anello. Questo collegamento diretto forma una cella di concentrazione. L’acciaio incorporato nel calcestruzzo ha un potenziale maggiore (come il rame) e così il metallo meno nobile (l’acciaio zincato interrato) si corrode come una batteria. Il rapporto delle aree dei due sistemi di dispersori è determinante per la corrosione elettrochimica. Questo viene descritto in dettaglio nel capitolo 5.5.7.

Acciaio Inox

Quando si utilizzano acciai altolegati inossidabili, l’effetto sopra descritto può essere praticamente escluso. Secondo la norma EN 10088-3, l’acciaio altolegato inossidabile è passivo e resistente alla corrosione del terreno. Nella maggior parte dei casi, il potenziale di corrosione degli acciai inossidabili in terreni normalmente ventilato è simile a quello del rame. Dato che i materiali dei dispersori in acciaio inossidabile si passivano in superficie entro poche settimane, essi mostrano un comportamento neutro nei confronti di altri materiali (più nobili o meno nobili). L’acciaio inossidabile contiene almeno il 16% di cromo, il 5 % di nichel e il 2 % di molibdeno. Estese misurazioni hanno mostrato che solo l’acciaio inossidabile (V4A), ad esempio AISI/ASTM 316 Ti, è sufficientemente protetto contro la corrosione nel terreno. Oggi numerosi sistemi di alimentazione sono in funzione da 50 anni o anche più, spesso molto più a lungo della durata dei sistemi di dispersori realizzati in materiali tradizionali. Perciò il sistema dei dispersori deve essere dimensionato per questa durata. E’ consigliabile l’utilizzo dell’acciaio inossidabile (V4A). La Figura 5.9.6 mostra chiaramente la corrosione localizzata di un picchetto di messa a terra dopo soli sette anni. La Figura 5.9.7 mostra che l’acciaio inossidabile non si corrode nel terreno. Sistemi di dispersione affidabili e correttamente dimensionati sono essenziali affinché un impianto di alimentazione possa garantire la sicurezza del funzionamento e la protezione delle persone. Tuttavia, il loro corretto funzionamento è spesso presso come dato di fatto, senza alcun dubbio. Nel caso di sistemi di dispersione per cabine di trasformazione, i requisiti tecnici dei sistemi di alta e bassa tensione devono essere considerati nel contesto. Un sistema globale di dispersori offre notevoli vantaggi per quanto riguarda il rischio di un possibile aumento del potenziale di terra U_E. Secondo la normativa, in genere in questo caso non si verificano pericolose tensioni di contatto. Per assicurare che i requisiti di protezione personale siano soddisfatti nelle parti dell’impianto collegate al sistema dei dispersori, anche in condizioni di guasto, si è dimostrata utile una resistenza totale verso terra RB dei singoli sistemi di dispersori inferiore a 2 Ω. Le sezioni minime dei conduttori di terra e delle barre di terra dell’impianto vanno osservate per quanto riguarda la portata in corrente in caso di eventuali guasti nella cabina di trasformazione. In caso di guasto, la tensione sui dispersori si riduce in base al tipo di collegamento del neutro (ad esempio per sistemi compensati). In pratica, bisogna rispettare i principi della citata normativa e le indicazioni fornite dai gestori delle reti di distribuzione locali. In fase di progettazione e dimensionamento del sistema dei dispersori, spesso è utile valutare in anticipo la resistenza di massa totale, per definire tutte le misure necessarie prima dell’installazione dell’impianto. È di vitale importanza la scelta di un materiale resistente alla corrosione per i dispersori interrati. Gli esempi descritti sopra, nonché l’esperienza degli ultimi decenni con molti sistemi, mostrano chiaramente che solo l’acciaio altolegato inossidabile (V4A, AISI/ASTM 316 Ti) è resistente alla corrosione nel terreno. Quindi, per garantire la sicurezza a lungo termine di una cabina di trasformazione, bisogna utilizzare solo acciaio altolegato inossidabile per il sistema dei dispersori.