Bringing Grounding Down to Earth

La miriade di regole sul grounding a volte sembra un po’ troppo da gestire? I problemi di implementazione del grounding a volte ti lasciano stordito e confuso, con la soluzione corretta che sembra un po’ sopra la tua testa? Se è così, non sentitevi soli.

Nonostante la vasta letteratura sulla messa a terra, alcuni dei suoi importanti concetti sembrano mancare nella tradizione orale e nella pratica regolare dell’industria elettrica – e alcune idee sbagliate sulla messa a terra sembrano essere saldamente ancorate al loro posto. Di conseguenza, molti progetti e installazioni non sono così affidabili o sicuri come potrebbero essere.

Ma si può evitare la confusione se si comprendono i concetti dietro le regole. Con una migliore comprensione, puoi avere più fiducia che il tuo sistema di messa a terra funzionerà come previsto.

Torna alle basi. La prima cosa da capire è che la corrente di guasto a terra – come tutta l’elettricità – cerca di tornare alla sua fonte di alimentazione. Questo principio è ciò che fa funzionare i circuiti elettrici in primo luogo. Qual è la fonte della corrente di terra? Non ha origine nella terra, ma nel trasformatore di servizio.

La legge di Kirchoff afferma che la corrente scorre in modo inversamente proporzionale all’impedenza dei percorsi che le si presentano. Quindi, le impedenze relative dei vari percorsi determinano come la corrente di guasto torna alla sua fonte.

L’impedenza del percorso tra l’elettrodo di messa a terra e la fonte è quasi sempre significativamente più alta dell’impedenza del percorso attraverso il conduttore di messa a terra.

Se non sei sicuro di questo nel tuo impianto, misura l’impedenza di un filo di rame dall’elettrodo alla sorgente e confrontala con l’impedenza attraverso la terra.

Questa differenza di impedenza significa che solo una piccola quantità di corrente di guasto scorre attraverso l’elettrodo di terra. Il guasto tipicamente viaggia lungo la terra dell’attrezzatura (conduttori e sistemi di canalizzazioni metalliche), attraverso il legame neutro-terra, e torna alla fonte attraverso il conduttore messo a terra (neutro). È l’alta corrente di guasto attraverso il percorso a bassa impedenza che fa scattare un dispositivo di sovracorrente – non la quantità trascurabile di corrente che scorre attraverso la terra attraverso un dispersore (Fig. 1).

Se questo è il caso, qual è la funzione dell’elettrodo di terra? Che ci crediate o no, ne ha diverse, tra cui le seguenti:

• Limitare le tensioni imposte da fulmini, sovratensioni o contatti accidentali con linee ad alta tensione.

• Stabilizzare la tensione verso terra durante il normale funzionamento, contribuendo a mantenere la tensione entro limiti prevedibili.

• Aiutando l’utilità a eliminare i propri guasti, diventando fondamentalmente parte del sistema di messa a terra multipunto dell’utilità.

• Fornendo un percorso verso terra per la dissipazione statica.

Spaziatura delle barre di terra. Supponiamo che si guidi la prima barra di terra di un sistema. Se ha una resistenza di terra di 25 ohm o più, il 250.56 del NEC 2005 richiede di guidare una seconda barra. Ma molti appaltatori non si preoccupano di misurare la resistenza di terra. Semplicemente pianificano di guidare due aste perché così facendo soddisfano i requisiti del 250.56, indipendentemente dall’effettiva resistenza di terra. Quindi, le installazioni a due aste sono comuni, ma sono necessariamente corrette?

Il Codice richiede di distanziare le aste di almeno 6 piedi. Tuttavia, questa spaziatura è un minimo – e lontano dall’ideale. Quando si usa la tipica asta di terra da 8 o 10 piedi, si ottengono i migliori risultati distanziando le aste di almeno 16 o 20 piedi, rispettivamente. Questo è molto più grande della distanza minima di 6 piedi del codice.

Le aste di terra distanziate meno di due lunghezze di asta interferiranno l’una con l’altra perché le loro aree di resistenza effettiva si sovrapporranno (Fig. 2a sopra). Per riferimento, vedere IEEE-142 e Soares Book on Grounding. La sovrapposizione aumenta la resistenza netta di ogni asta, rendendo il sistema di elettrodi di messa a terra meno efficace che se le aste fossero più distanziate (Fig. 2b sopra).

Ponteggiatore principale. Il ponticello principale è il collegamento tra il neutro e le barre di terra delle apparecchiature all’interno del servizio. Questo collegamento vitale permette alla corrente di guasto a terra di tornare alla fonte. Senza il ponticello principale, il guasto dovrebbe viaggiare attraverso la terra ad alta impedenza piuttosto che attraverso il rame a bassa impedenza. Questo percorso ad alta impedenza molto probabilmente limiterebbe la corrente e impedirebbe agli interruttori di scattare – o almeno impedirebbe loro di scattare abbastanza presto per evitare danni alle apparecchiature.

Dimensioni il ponticello di collegamento principale secondo la tabella 250.66. Molte persone presumono che questa tabella indichi che la dimensione massima del ponticello di collegamento principale sia 3/0 AWG, ma questo è un altro errore comune. Il ponticello di collegamento deve essere almeno il 12,5% dell’area equivalente dei conduttori di fase. Se stai eseguendo 11 serie di conduttori da 500 kcmil (un servizio da 4.000A, per esempio), il ponticello principale dovrebbe essere minimo 700 kcmil, non 3/0 AWG.

Questo problema è meno preoccupante per i ponticelli di collegamento per i sistemi derivati secondari, come trasformatori e generatori, poiché le correnti di guasto sono in genere molto più basse in quei sistemi.

Dimensionamento dei conduttori di messa a terra delle apparecchiature. I progettisti usano tipicamente la tabella 250.122 quando dimensionano i conduttori di messa a terra delle apparecchiature. Nella maggior parte dei casi, la dimensione sarà adeguata, specialmente per i piccoli circuiti derivati. Ma quando la corrente di guasto disponibile è alta – diciamo 100.000A – e quando un interruttore a monte è impostato per ritardare il suo intervento per diversi cicli, è necessario dimensionare i conduttori di messa a terra con più attenzione.

Le canalizzazioni metalliche, che tipicamente portano più corrente dei conduttori di messa a terra delle apparecchiature, possono non essere installate correttamente o possono staccarsi nel tempo. Di conseguenza, il conduttore di messa a terra dell’apparecchiatura può essere l’unico percorso di ritorno a terra disponibile. I conduttori di messa a terra sottodimensionati possono fondersi durante un guasto prima di servire il loro scopo di fornire un percorso di corrente continuo a bassa impedenza di ritorno alla sorgente durante una condizione di guasto.

È importante capire che i conduttori hanno dei valori di resistenza. La Insulated Cable Engineers Association fornisce uno standard chiamato Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, numero P 32-382 (1994). Questo standard dice che per un periodo di 5 secondi, il valore di resistenza di un conduttore è 1A per 42,25 mils circolari.

Per esempio, un conduttore 3/0 AWG può trasportare in sicurezza 3.972A per 5 secondi. Il valore di resistenza I2T per 5 secondi è quindi 78.883.920A. Ora supponiamo che un interruttore sia impostato per aprirsi in 30 cicli – un ritardo che potresti vedere al servizio. Si può rapidamente determinare che la corrente massima che un 3/0 AWG può portare per 30 cicli (0,5 sec) è:

I2T = 78.883.920

I= √ (78.883.920÷T)

I= √ (78.883.920÷0.5)

I=12.560A

Ma se la corrente di guasto disponibile è 65.000A o 100.000A all’estremità del carico del conduttore di terra, il conduttore di terra sarà rapidamente distrutto in caso di guasto, assumendo che l’interruttore automatico impieghi 30 cicli per aprirsi. Si dovrebbe essere consapevoli della corrente di guasto disponibile e tenere conto del tempo di apertura degli interruttori, specialmente degli interruttori principali e di alimentazione nel quadro principale. Eseguire i calcoli I2T come descritto sopra, in particolare quando la corrente di guasto disponibile è alta. Si può vedere che il corretto dimensionamento dei conduttori di messa a terra delle apparecchiature non è semplice come applicare i minimi NEC.

Correnti del sistema di messa a terra. La corrente è presente nel sistema di messa a terra durante le normali condizioni operative, non solo durante una condizione di guasto. Questo probabilmente spiega perché il Codice permette ai sensori di guasto a terra di essere impostati fino a 1.200A per prevenire l’intervento di disturbo.

Oltre ai guasti a terra, diverse cose possono produrre corrente nel sistema di messa a terra, comprese le seguenti:

• Correnti indotte da fili adiacenti che trasportano corrente.

• Correnti indotte da motori (in particolare monofase).

• Accoppiamento capacitivo tra i fili di fase e neutro ai conduttori di terra. Questo fenomeno è noto per causare fastidiosi interventi di GFCI in circuiti lunghi.

• Scariche elettrostatiche da apparecchiature.

Circuiti di terra. Si possono formare loop di terra attraverso l’interazione tra la messa a terra dell’alimentazione e il cablaggio a bassa tensione. Il cablaggio a bassa tensione spesso contiene un conduttore di terra di segnale che può essenzialmente legare insieme le terre di segnale interne tra diversi pezzi di apparecchiature elettroniche. Se esiste anche un legame interno tra la messa a terra dell’alimentazione e la messa a terra del segnale all’interno dell’apparecchiatura elettronica, la corrente può fluire attraverso questo anello. Anche se i cavi schermati a bassa tensione sono tipicamente messi a terra solo ad un’estremità per prevenire i loop di terra, un filo separato di terra del segnale all’interno dello schermo può ancora creare un legame.

Per un esempio di dove questo accade comunemente, pensate ad una rete di computer e agli schermi su dispositivi come stampanti, router e workstation. Se stai collegando diversi pezzi di equipaggiamento insieme, stai interconnettendo dispositivi che hanno un potenziale tra i loro rispettivi pin di terra (Fig. 3). Se hai un circuito completo attraverso i fili di segnale, hai un loop di terra. Le correnti di terra scorreranno a causa di questo potenziale, e creeranno rumore elettrico che può interferire con il funzionamento del sistema. I campi elettromagnetici che passano attraverso questo anello potrebbero anche causare il flusso di corrente.

Per minimizzare questo fenomeno, devi limitare il potenziale tra questi vari punti di messa a terra. TIA/EIA J-STD-607-A raccomanda un potenziale massimo di 1V tra i punti di messa a terra. È interessante notare che raccomanda anche un grande anello di terra per la messa a terra di edifici a più piani (Fig. 4). Nelle reti di computer, la limitazione del potenziale tra i punti di messa a terra ha chiaramente la precedenza sulle preoccupazioni per i loop circolanti delle correnti di terra. Le apparecchiature audiovisive sono molto più sensibili, tuttavia.

Ogni edificio ha centinaia, se non migliaia di cavi a bassa tensione, e ognuno può formare il proprio anello di terra in combinazione con il sistema di messa a terra dell’alimentazione. Sfortunatamente, non c’è un modo pratico in un edificio standard per garantire un piano di terra uniforme in tutto l’edificio.

Il meglio che puoi fare è mettere a terra correttamente i pezzi chiave dell’attrezzatura. Questo significa fornire barre di terra in tutte le stanze di telecomunicazione e audio/video, e assicurarsi che ogni pezzo di equipaggiamento all’interno di queste stanze sia legato a queste barre di terra. Questo assicura un piano di terra abbastanza uniforme all’interno della stanza – almeno nella gamma di frequenze più basse.

Una cura comunemente prescritta per questi tipi di problemi di messa a terra è di fornire piani di terra equipotenziali su una vasta gamma di frequenze. I metodi includono l’uso di reti di terra all’interno di lastre e griglie di riferimento del segnale sotto i pavimenti sopraelevati. Dato il costo di tali misure, questi metodi sono tipicamente riservati alle strutture di comunicazione più sensibili – non alle tipiche strutture commerciali o istituzionali. Un piano di terra equipotenziale è solo un passo, però. Non è una panacea per i loop di terra, perché le correnti possono sempre essere indotte da campi elettromagnetici che passano attraverso i conduttori.

Non lasciatevi sopraffare dalla grande quantità di minuzie relative alla messa a terra. Avere un’idea di alcuni concetti di base sulla messa a terra dovrebbe aiutarvi a sistemare le cose. Una buona messa a terra è la chiave per il successo operativo di qualsiasi impianto, quindi più informati sono i vostri progetti, più affidabile sarà l’installazione e meno problemi di qualità dell’alimentazione emergeranno.

Janof, P.E., è un associato e senior project manager di Sparling, una società di consulenza in ingegneria elettrica e tecnologia con uffici a Seattle e Portland.