Qualità dell’energia: show it easy!
Sommario
Seconda Parte
12.La propagazione dei disturbi sulle reti di distribuzione ................................................. p 36
13.Linee elettriche: correlazioni tra tensione di arrivo e partenza..................................... p 39
14.I sistemi di distribuzione elettrica...................................................................................... p 43
14.1 La rete di mt e le correnti capacitive: approfondimento!............................................ p 47
15.Disturbi elettromagnetici condotti di bassa frequenza tipici.......................................... p 51
15.1 La variazione della tensione ........................................................................................ p 51
15.2 Variazione rapida della tensione ................................................................................. p 52
15.3 Buco di tensione .......................................................................................................... p 55
15.4 Breve e lunga interruzione elettrica ............................................................................. p 57
15.5 Sovratensioni elettriche a frequenza di rete................................................................. p 59
15.6 Sovratensioni elettriche transitorie............................................................................... p 61
15.7Armoniche.................................................................................................................... p 70
15.8 Risonanza elettrica....................................................................................................... p 79
15.9Ferrorisonanza.............................................................................................................. p 83
15.10Dissimmetria della tensione e squilibrio della corrente................................................ p 87
15.11Flicker........................................................................................................................... p 89
15.12Frequenza:................................................................................................................... p 91
15.13Fattore di potenza........................................................................................................ p 94
16.Influenze indirette alla qualità dell’energia....................................................................... p 99
17.Collegamenti equipotenziali – messa a terra.................................................................. p 103
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16.Influenze indirette
alla qualità dell’energia
I fenomeni elettromagnetici che si manifestano sulle reti di distribuzione pubbliche trovano
nella norma EN 50160 una distinzione tra: ‘fenomeni continui’ e ‘eventi di tensione’. I
primi dipendono in generale dal carico elettrico, i secondi sono legati a guasti o eventi in
generale (atmosferici, fulminazioni, accidentali, programmati ecc..). La stessa distinzione è
applicabile, sebbene le normative siano altre, anche per le reti di distribuzione private, negli
stabilimenti o comunque negli impianti elettrici in generale. La Qualità dell’Energia è infatti
una virtù di funzionamento di cui tutti gli impianti dovrebbero beneficiare ed è la condizione
che garantisce la qualità e la continuità di esercizio di qualsiasi rete o impianto.
Focalizzando l’attenzione del lettore su quello che costituisce l’insieme delle sottoreti di
distribuzione e gli impianti terminali o ultraterminali di una qualsiasi realtà industriale,
ecco una domanda provocatoria: potrebbe l’uomo rendersi responsabile di circostanze
particolari, tali da facilitare lo sviluppo di un fenomeno elettromagnetico?
La risposta non può che essere positiva per il solo fatto che il mondo elettromeccanico è
creato dall’uomo, ma se si circoscrivesse il campo d’azione al solo settore impiantistico o
manutentivo, si potrebbe aprire un dibattito che facilmente potrebbe essere interpretato dal
lettore come demagogico. Tutti però non possono non essere d’accordo sul fatto che i fattori
economici, il non perseguire la ‘regola dell’arte’, cioè la superficialità nell’esecuzione pratica
dei lavori, la mancanza di controlli e collaudi, la scarsa conoscenza delle norme d’impianto,
sono serie realtà che possono determinare un indesiderato e dannoso fenomeno
elettromagnetico EMC, curato anche da questa pubblicazione.
Esiste un rimedio per invertire questo trend? Si, ma tenendo in considerazione che il
mondo dell’elettromeccanica è profondamente cambiato negli ultimi 25/30 anni e che
l’elevato sviluppo tecnologico delle apparecchiature, l’introduzione dell’elettronica di
controllo e di potenza, l’automazione, i computer, ma anche la concorrenza dei costruttori,
le norme, i costi delle materie prime, sono alcune delle ragioni per un diverso approccio
tecnico, un diverso ambito formativo che non può più coincidere con l’iter formativo classico,
perseguito dalla precedente generazione di addetti al settore.
Oggigiorno la formazione tecnica per chiunque decida di inserirsi nel mondo
dell’elettromeccanica è fondamentale! L’esperienza tecnica acquisita in anni passati non è
più sufficiente per interpretare le nuove reti elettriche, le nuove metodologie, i nuovi impianti.
Questo è anche il motivo per cui nel diagramma 11a si è voluto inserire un riferimento agli
‘argomenti secondari’ che possono influenzare la Qualità dell’energia e le figure successive
sono alcuni esempi che dimostreranno quanto affermato.
Certamente tutte le figure riportate necessitano di interpretazione, con un minimo di
competenze tecniche nel settore, altrimenti si rischierebbe di premiare solo l’effetto grafico.
Nella terza parte della pubblicazione si tratteranno alcuni casi di come l’uomo possa
interferire nel normale processo elettromagnetico di una rete elettrica.
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Si osservi l’inqualificabile cablaggio del quadro di distribuzione elettrica generale (QGBT)
di figura 16a, con i relativi rischi connessi, oppure il sistema di rifasamento di figura
16b installato all’interno di un Power Center, con il rischio di compromettere tutta la
distribuzione nel caso di esplosione di un solo condensatore.
Figura 16a
Figura 16b
Cosa si potrebbe dire dell’improvvisato ampliamento del banco di rifasamento di figura
16c, oppure dei passaggi di un cavo di bassa tensione e di un tubo metallico, lungo le parti
attive a 20kV dei trasformatori di figura 16d, al di sotto delle distanze minime tra parti attive/
terra imposte dal costruttore?
Figura 16c
Figura 16d
Potrebbero nel tempo le condizioni d’installazione e la sporcizia del trasformatore di figura
16e oppure la precaria riparazione del guasto al terminale di MT in ceramica di figura 16f
portare a guasti?
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Figura 16e
Figura 16f
Si osservi lo stato funzionale dello scomparto a media tensione di figura 16g le cui
terminazioni, evidentemente mal eseguite, sono soggette a continue scariche parziali tali
da poter essere osservate al buio come in figura 16h. Per quanto tempo si potrà mantenere
la continuità d’esercizio?
Figura 16g
Figura 16h
Terminiamo con queste ultime figure che lasciano trasparire quanto sia facile procurare, per
ingenuità, un problema di Qualità dell’Energia.
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Figura 16i: Ventilazione piuttosto forzata!
Figura 16m: Cavi in umido!
Figura 16l: Cavalletto di MT sovraffollato!
Figura 16n: Connessione lenta e precaria, morsetto di BT
Figura 16o-p: Pericoloso bypass dell’interruttore di MT (i corretti morsetti di collegamento sono indicati nel cerchio rosso)!
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17. Collegamenti
equipotenziali – messa a terra
Da cosa è composto il terreno che ricopre la crosta terrestre? Può il terreno divenire un
mezzo conduttore della corrente elettrica?
È noto che la disgregazione della roccia di cui è costituita la terra è dovuta all’incessante
azione dei fenomeni atmosferici, quali la pioggia, il gelo o il vento, ma anche al clima, alle
escursioni termiche e agli eventi naturali che accadono nel tempo (terremoti, alluvioni, frane
ecc.. ). Il frutto ottenuto dalla combinazione di queste macro attività con la continua azione
di microorganismi viventi, che agiscono sulla di scomposizione dei materiali inorganici, si
definisce ‘terreno’.
In natura si possono individuare diverse tipologie di terreno, tutte comunque distinte da
un’identità biologica, un’identità chimica e una fisica. Il terreno è per questo composto da
minerali, sali, silicati, carbonati, acqua, calcare, microrganismi e, dal punto di vista elettrico,
è equiparabile ad un vero e proprio mezzo conduttore contraddistinto da:
–– u
n valore di resistività elettrica (resistenza elettrica specifica, in ohm/metro), misurata
tipicamente con i metodi Wenner o Schlumberger e considerata nelle fasi preliminari di
un progetto di un dispersore o di una maglia di terra;
–– u
n valore di resistenza elettrica (ohm), misurata con il metodo volt/amperometrico, che
diminuisce in relazione al numero di dispersori utilizzati. La verifica del valore di resistenza
di terra fa parte delle prove di collaudo e coincide con la correttezza dei dati di progetto.
Partendo dalla rappresentazione grafica di figura 17.a, si può studiare il comportamento del
terreno quando è soggetto a una differenza di potenziale elettrico.
Per tale dimostrazione, si utilizza un circuito elettrico realizzato mediante tre dispersori
di terra, di cui due fissi e uno mobile, posizionati ad una certa distanza (d) fra loro. Ai
dispersori (A, B) è collegato un generatore i cui valori di corrente elettrica prodotta e di
differenza di potenziale (ddp) esistente tra il dispersore fisso (A) e il dispersore mobile (P),
sono misurati rispettivamente da un amperometro e da un voltmetro.
Figura 17.a: Andamento della tensione nel terreno (linea blu), sottoposto al potenziale Uab
In questa situazione il comportamento della tensione elettrica creatasi nel terreno per
effetto della resistenza di terra, ha un valore crescente man mano che il punto di misura P
si allontana dal riferimento A, sino a raggiungere la zona di stabilità, compresa tra P e P’,
dove la tensione si mantiene costante. Proseguendo il percorso da P’ verso il riferimento B,
la tensione elettrica aumenta nuovamente sino a raggiungere il valore massimo di tensione
applicata al circuito (Uab).
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La distanza tra i dispersori (d) per la misura della resistenza di terra è definita dalle norme
d’impianto (circa cinque volte la lunghezza del dispersore) e il valore di resistenza del
terreno è calcolato dalla formula 17.1 .
Formula 17.1
Dopo questa premessa, con alcuni esempi, inerenti agli aspetti che interessano il legame
Qualità dell’Energia e circuiti di terra, si cercherà di spiegare il perché dell’importanza della
realizzazione di un impianto di terra dai bassi valori di resistenza elettrica.
La figura 17b mostra le dinamiche di quel che accade nel terreno quando un fenomeno
elettromagnetico EMC, quale la fulminazione, trova modo di annullare l’elevatissima differenza
di potenziale elettrico creatosi tra cielo e terra (vedi capitolo §15.6), attraverso il dispersore A.
Figura 17.b: Andamento della tensione nel terreno (linea blu), nel caso di fulminazione
In questa circostanza nasce un fronte di tensione (Ut), dovuto alla corrente (3kA÷200kA)
del fulmine e alla resistenza elettrica del dispersore di terra, che si propagherà attraverso
il terreno fin sulla superficie creando pericolosi potenziali elettrici, più elevati nel punto di
scarica, meno elevati se lontani. L’andamento della tensione è quello tracciato dalla linea
blu di figura 17.b. Per chi è parte della scena, persone, masse metalliche o apparecchiature
elettriche, si configurano tre situazioni diverse fra loro:
1. la persona sfortunatamente in contatto con il dispersore si troverà soggetta all’elevata
tensione di contatto (Uc). La sua sopravvivenza sarà statisticamente assicurata se tale
valore non supererà i valori normativi.
2. la persona che sta passeggiando in prossimità del punto di scarica, sarà soggetta alla
tensione di passo (Up) e non ci saranno pericolose conseguenze se la differenza di
potenziale fra i piedi di quella persona sarà contenuto nei limiti normativi.
3. il conduttore di protezione (PE) assume il potenziale elettrico (UB). Lo chassis del
computer diverrà, come per il caso-1, un punto di pericolo per le delle tensioni di
contatto raggiungibili. La differenza di potenziale tra il riferimento di terra delle schede
elettroniche del computer con le parti attive, alimentate dalla rete elettrica, potrà poi
superare i livelli d’immunità dei componenti, guastandoli.
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Riferendoci al fenomeno elettromagnetico del cortocircuito elettrico, nella situazione
rappresentata in figura 17.c si individua la leggerezza operativa di un tecnico installatore,
che erroneamente connette a terra la struttura metallica di supporto di un trasformatore MT/
BT, con un cavetto di protezione (PE) d’inadeguata sezione!
Figura 17.c: Messa a terra (inadeguata!) di un trasformatore MT/BT.
L’eventuale cortocircuito elettrico interno al trasformatore, provocato da una scarica
tra l’avvolgimento di bassa tensione e la struttura metallica o il nucleo magnetico, si
tradurrebbe nel transito di una corrente di migliaia di ampere proprio in quella piccola
sezione di cavo che, sottoposta a un eccessivo stress termico, letteralmente si polverizzerà.
Nella figura 17.d si indica il normale percorso della corrente di guasto in presenza del
conduttore di protezione. Se tale circuito venisse interrotto, la corrente di guasto avrebbe la
sola possibilità di richiudersi al trasformatore propagandosi attraverso altre vie a impedenza
più elevata, fin quando interverrà un dispositivo di protezione. Le alte tensioni di contatto
che si verrebbero a creare sarebbero certamente un rischio per la sicurezza delle persone,
senza considerare il pericolo dell’innesco di un incendio. La lacuna progettale sta nel non
aver osservato le norme d’impianto che stabiliscono i valori minimi e i criteri di calcolo
(formula 17.1) per determinare le corrette sezioni dei conduttori di protezione (PE) e di
terra.
Figura 17.d: Guasto di un avvolgimento di BT in un trasformatore verso massa (sistema distribuzione: TN-S)
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Formula 17.1
dove:
S: Sezione minima del conduttore elettrico (mm2);
da cui:
I: Corrente di cortocircuito (A);
K: Coefficiente relativo alle caratteristiche del conduttore
elettrico;
t: Tempo d’intervento del dispositivo di protezione (s).
Un ultimo esempio è riferibile alla mia abitazione, dove la percezione di continue ‘scosse’
elettrostatiche tra le parti più sensibili delle mani con le parti metalliche del lavello in
acciaio, mi indussero a fare dei controlli funzionali sul circuito di terra. Scoprii che l’impianto
era correttamente in equipotenzialità, ma mancante del tratto di connessione elettrica (PE)
verso il dispersore di terra!
In pratica il circuito di terra di casa (sistema TT) era isolato e la differenza di potenziale
elettrico tra questo circuito e il conduttore del neutro era di centosettanta volt! Realizzata la
connessione mancante, tale ddp si annullò (0V).
Avere un impianto di terra ben fatto con bassi valori di resistenza e soprattutto coordinato
anche con tutto quanto rappresenta una via di fuga della corrente di dispersione (tubazioni
acqua e gas, apparecchiature metalliche ecc….), significa ottenere potenziali elettrici
contenuti in presenza di fenomeni EMC, evitando situazioni di pericolo per le persone o
criticità per le apparecchiature. L’argomento è articolato e trattato dalle norme d’impianto
che determinano i valori di tensione massimi da raggiungere, in relazione alle tipologie di
sistema di distribuzione.
Si potrebbe discutere ancora molto delle connessioni di terra o delle equipotenzialità delle
masse. Evitando di argomentare gli accoppiamenti elettromagnetici con le reti di terra
dovuti ai disturbi ad alta frequenza (EMI - Electromagnetic Interference), per i nostri scopi è
fondamentale sapere che si ottiene una buona Qualità dell’Energia soprattutto rispettando
le normative per la realizzazione degli impianti di terra.
La figura 17e è un esempio della complessità degli accoppiamenti elettromagnetici ad alta
frequenza che avvengono sulle reti elettriche.
Figura 17.e: Accoppiamenti elettromagnetici condotti e radiati (EMI) in una rete elettrica
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