La protezione contro i guasti a terra.

Premessa

La perdita di isolamento tra i conduttori normalmente in tensione e le masse può provocare un guasto chiamato generalmente guasto a terra.
Le principali cause di perdita di isolamento sono:

decadimento nel tempo delle proprietà dielettriche (crepature nelle gomme isolanti, etc.);
rottura meccanica (es. la tranciatura di un cavo interrato da parte di una pala meccanica);
ambienti particolarmente aggressivi (presenza di polveri, umidità, inquinamento, etc.);
sovratensioni di origine atmosferica o di manovra;
azione di roditori.

principali effetti della corrente di guasto a terra sono:

portare in tensione le masse;
archi elettrici localizzati e conseguenti surriscaldamenti;
disturbi ai sistemi di telecomunicazione;
fenomeni di erosione dei dispersori elettrici.

La corrente di guasto a terra si manifesta inizialmente come un arco localizzato nel punto in cui è venuto meno l’isolamento; questo arco è caratterizzato da un’intensità di corrente molto modesta dell’ordine di qualche decina di milliampere. In seguito, il guasto evolve, più o meno rapidamente, per assumere il carattere di guasto franco fase-terra e, se tale guasto non è tempestivamente
interrotto dalle protezioni, può arrivare a coinvolgere tutte le fasi dando origine ad un cortocircuito trifase con contatto a terra.
Una prima conseguenza della corrente di guasto a terra è, quindi, quella relativa al danno che l’impianto subisce, sia a causa delle modeste correnti iniziali d’arco, le quali difficilmente rivelate dagli sganciatori di sovracorrente possono permanere per lungo tempo ed innescare un incendio, sia a causa del cortocircuito che si sviluppa dopo che è stata compromessa l’integrità dell’impianto stesso.
Un’altra importante conseguenza della corrente di guasto a terra è quella relativa al pericolo per le persone derivante da un contatto indiretto, cioè a seguito del contatto con masse che sono andate accidentalmente in tensione a causa del cedimento dell’isolamento.

Classificazione dei sistemi

L’entità del guasto a terra e le conseguenze che derivano dal contatto con masse in tensione sono legate in modo determinante allo stato del neutro del sistema di alimentazione e alla modalità di connessione delle masse verso terra.
Per scegliere opportunamente il dispositivo di protezione contro i guasti a terra occorre quindi conoscere il sistema di distribuzione dell’impianto. La norma italiana CEI 64-8/3 (allineata a quella internazionale IEC 60364-3) classifica i sistemi elettrici con la combinazione di due lettere.

La prima lettera indica la situazione del sistema di alimentazione verso terra (*):

T collegamento diretto a terra di un punto, in c.a., in genere il neutro;
I isolamento da terra, oppure collegamento a terra di un punto, generalmente il neutro, tramite un’impedenza.

La seconda lettera indica la situazione delle masse dell’impianto elettrico rispetto a terra:

T masse collegate direttamente a terra;
N masse collegate al punto messo a terra del sistema di alimentazione.

Eventuali lettere successive indicano la disposizione dei conduttori di neutro e di protezione:

S funzioni di neutro e protezione svolte da conduttori separati;
C funzioni di neutro e protezione svolte da un unico conduttore (conduttore PEN).

Con riferimento a queste definizioni di seguito sono illustrati i principali sistemi di distribuzione utilizzati.

(*) La connessione a terra di un punto a livello di trasformatori MT/BT è necessaria per evitare di trasferire a valle tensioni pericolose, ad esempio per guasto tra gli avvolgimenti di MT e quelli di BT. Nei sistemi IT dovrebbero utilizzarsi trasformatori costruiti in modo da non trasferire tensioni pericolose per l’uomo e le apparecchiature.

Sistema TT

Nel sistema TT il neutro e le masse sono collegati a due impianti di terra elettricamente indipendenti (Fig. 1) e la corrente di guasto a terra ritorna quindi al nodo di alimentazione attraverso il terreno (Fig. 2).

Fig.1

Fig.2

In impianti di questo tipo il neutro viene normalmente distribuito e la sua funzione è quella di rendere disponibile la tensione di fase (es. 230 V), utile per l’alimentazione dei carichi monofase degli impianti civili.

Sistema TN

Nel sistema TN il neutro è connesso direttamente a terra mentre le masse sono connesse allo stesso impianto di terra del neutro.
Il sistema elettrico TN si distingue in tre tipi a seconda che i conduttori di neutro e di protezione siano separati o meno:

TN-S: il conduttore di neutro N e di protezione PE sono separati (Fig. 3)
TN-C: le funzioni di neutro e di protezione sono combinate in un unico conduttore definito PEN (Fig. 4)
TN-C-S: le funzioni di neutro e di protezione sono in parte combinate in un solo conduttore PEN ed in parte separate PE + N (Fig. 5).

Nei sistemi TN la corrente di guasto a terra ritorna al nodo di alimentazione attraverso un collegamento metallico diretto (conduttore PE o PEN) senza praticamente interessare il dispersore di terra (Fig. 6 ).

Sistema IT

Il sistema elettrico IT non ha parti attive collegate direttamente a terra ma può avere parti attive collegate a terra tramite un’impedenza di valore elevato (Fig. 7). Tutte le masse, singolarmente o in gruppo, sono connesse ad un impianto di terra indipendente.

La corrente di guasto a terra ritorna al nodo di alimentazione attraverso l’impianto di terra delle masse e le capacità verso terra dei conduttori di linea (Fig. 8).

Conclusioni

Sistema di distribuzione	Principali applicazioni	Valore tipico delle correnti di guasto a terra	Note
TT	installazioni domestiche e similari; piccole industrie alimentate in bassa tensione	10÷100 A	Il sistema di distribuzione TT è utilizzato quando non è possibile garantire la distribuzione del conduttore di protezione (PE) e si preferisce affidare all’utente la responsabilità della protezione dai contatti indiretti.
TN	industrie e grossi impianti alimentati in media tensione	valori simili al guasto monofase	Il sistema TN è un sistema con il quale viene distribuita l’energia alle utenze che dispongono di propria cabina di trasformazione; in questo caso è relativamente semplice garantire il conduttore di protezione.
IT	industrie chimiche e petrolchimiche, impianti in cui è fondamentale la continuità di servizio	μA ÷ 2 A in funzione dell’estensione dell’impianto; in caso di doppio guasto a terra la corrente di guasto assume valori tipici dei sistemi TT o TN a secondo del collegamento delle masse rispetto a terra	Questo tipo di sistema risulta essere particolarmente adatto nei casi in cui deve essere garantita la continuità di servizio in quanto la presenza di un primo guasto non dà luogo a correnti di valore elevato e/o pericoloso per le persone.