Misura della resistenza di terra

Sintesi:

Si analizzano i principali fattori da considerare per ottenere una misura precisa della resistenza di terra negli impianti elettrici, in particolare la geometria del sistema di misura, comprese le distanze minime che occorre rispettare.

Introduzione
Natura fisica della resistenza di terra
Metodo di misura
Metodo della caduta di potenziale
Apparecchiature per la misura della resistenza di terra
Figure del documento

Introduzione:

L'impianto di terra è un elemento essenziale del sistema di sicurezza elettrica ed è necessario per:

consentire l'intervento dei dispositivi di protezione in presenza di un guasto dell'isolamento elettrico;
equalizzare il potenziale delle parti conduttrici accessibili simultaneamente con il potenziale del terreno circostante, per evitare che le persone siano esposte a tensioni pericolose;
consentire la dissipazione in condizioni di sicurezza dell'energia dei fulmini;
ridurre le interferenze elettromagnetiche.

Poiché si tratta di un sistema progettato per garantire la sicurezza, la sua efficacia deve essere verificata. Il valore della resistenza di dispersione è il parametro più significativo per verificare la qualità di un impianto di terra e la sua capacità di svolgere la propria funzione. La misura corretta di questo parametro deve però soddisfare diversi requisiti, che vengono analizzati in questo documento.

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Natura fisica della resistenza di terra:

Comprendere la terra come resistenza fisica naturale aiuta a valutare le condizioni che occorre soddisfare per ottenere una misura corretta.

Per definizione i resistori hanno due terminali e la loro resistenza è definita come il rapporto fra la tensione applicata ai terminali e la corrente che circola fra di essi in conseguenza di quella tensione. Il valore della resistenza (Eq.1 Equazione 1) (R=p.L/A) dipende dal tipo di materiale (resistività) e dalle sue dimensioni fisiche (sezione e lunghezza del resistore), come mostra la figura 1.

Nella resistenza di terra è evidente uno solo dei due terminali. Per individuare il secondo occorre ricorrere alla definizione: la resistenza di terra è la resistenza che esiste fra il punto elettricamente accessibile di un elettrodo interrato e un altro punto del terreno, molto lontano dal primo (figura 2).

L'idea è che, al di là del volume di terreno vicino all'elettrodo interrato attraverso il quale si inietta una corrente, l'intero pianeta costituisce il volume equipotenziale relativo a quella corrente. Qualsiasi punto del volume equipotenziale (figura 3) può essere considerato il secondo elettrodo della resistenza di terra.

Per giustificare l'affermazione precedente si analizza geometricamente la resistenza nella zona dell'elettrodo interrato che, nell'esempio seguente, si suppone semisferico (figura 4).

La corrente iniettata nel terreno attraverso gli elettrodi interrati si diffonde in tutte le direzioni con densità uniforme (supponendo che il terreno sia elettricamente omogeneo) e deve poi attraversare i diversi strati illustrati nella figura 4. Ogni strato oppone al passaggio della corrente una resistenza proporzionale alla resistività del terreno e allo spessore dello strato (lunghezza del resistore nella figura 1) e inversamente proporzionale all'area dello strato, secondo l'eq.1. La resistenza totale è quindi la somma di molte piccole resistenze in serie. Lo spessore è definito arbitrariamente come sufficientemente piccolo perché le due superfici dello strato possano essere considerate di pari area (requisito necessario per applicare l'eq. 1).

In realtà lo spessore è infinitesimo e la somma delle resistenze è un integrale, come indica l'eq. 2, dove r₀ è il raggio della semisfera interrata.

Per rendere più facile la visualizzazione fisica del fenomeno si può immaginare la struttura di una cipolla, formata da un gran numero di strati molto sottili, ognuno dei quali rappresenta una delle resistenze della serie.

Il concetto importante da notare è che, poiché si è supposta omogenea la resistività del terreno e lo spessore degli strati è lo stesso, l'unico elemento che cambia (aumenta) allontanandosi dall'elettrodo è l'area dello strato. Nella figura 4 si osserva che la superficie S3 è molto più grande della superficie S1. Quando la superficie aumenta, la resistenza diminuisce nella stessa proporzione e, di conseguenza, il contributo degli strati più lontani alla resistenza totale tende a essere trascurabile.

I calcoli per un elettrodo semisferico mostrano che nella regione più vicina, entro una distanza pari a 10 volte il raggio dell'elettrodo, si concentra il 90 % della resistenza totale. In altre parole, la resistenza degli strati situati al di fuori di questa zona non è significativa. E dove non c'è resistenza non c'è caduta di potenziale. Di conseguenza, al di fuori della regione più vicina all'elettrodo (detta zona di resistenza) tutto il terreno si trova allo stesso potenziale.

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Metodo di misura:

Per misurare la resistenza di terra occorre applicare fra i suoi terminali una tensione che faccia circolare una corrente. Uno dei terminali è il punto accessibile dell'impianto di terra E. Il secondo, secondo la definizione, è un qualsiasi altro punto del terreno realmente molto lontano dal primo. Per eseguire la misura si deve infiggere in quel punto un elettrodo ausiliario H. Il secondo elettrodo avrà inevitabilmente una propria terra, una propria resistenza e una propria zona di resistenza.

Osservando la figura 5 si vede che:

1. L'obiettivo è misurare la resistenza di terra dell'elettrodo E. Se però si esegue una misura di resistenza convenzionale fra i punti E e H misurando la tensione e la corrente circolante, si ottiene la somma delle resistenze di terra dei due elettrodi e non la resistenza di terra dell'elettrodo E. La differenza può essere molto rilevante perché, proprio per la sua condizione di elettrodo ausiliario, le dimensioni di H sono molto piccole rispetto a quelle di E: il suo contributo alla resistenza totale può quindi essere molto significativo e la probabilità di errore è considerevole.

2. Il concetto di «molto lontano», usato in precedenza senza ulteriori precisazioni, si chiarisce ora. L'elettrodo ausiliario H si può infatti considerare sufficientemente lontano dall'impianto di terra in misura quando le rispettive zone di resistenza non si sovrappongono. In tal caso tutto il volume esterno alle zone di resistenza si trova, con buona approssimazione, allo stesso potenziale, il che rende possibile il metodo di misura descritto di seguito.

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Metodo della caduta di potenziale

Per evitare l'errore introdotto dalla resistenza di terra dell'elettrodo H si impiega un terzo elettrodo S; il picchetto S viene collocato in un qualsiasi punto esterno alle zone di influenza di E e di H, ottenendo una geometria simile a quella mostrata nella figura 6.

Questa disposizione è nota come caduta di potenziale ed è il metodo più diffuso per la misura della resistenza di terra: la separazione delle zone di resistenza si ottiene con distanze ragionevoli fra gli elettrodi. La corrente circola attraverso l'impianto di terra E e l'elettrodo ausiliario H, mentre la tensione si misura fra E e il terzo elettrodo S. Questa tensione è la caduta di potenziale che la corrente di prova produce sulla resistenza dell'impianto di terra, Rx, che in questo modo può essere misurata senza essere influenzata dalla resistenza di terra del picchetto H.

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La regola del 62 %

Molte pubblicazioni che trattano il metodo della caduta di potenziale indicano che, per ottenere una misura corretta, i tre elettrodi devono essere ben allineati e la distanza fra E e S deve essere il 61,8 % della distanza fra E e H (figura 7). Il concetto deriva da uno sviluppo matematico accurato per il caso particolare di un elettrodo semisferico.

Questa configurazione non è però facile da applicare nella pratica. Il primo problema è che la geometria di un impianto di terra reale è complessa e difficile da assimilare a una semisfera per determinarne con precisione il centro, dal quale misurare le distanze con sufficiente accuratezza. Inoltre, nelle aree urbane è difficile trovare punti in cui collocare i picchetti, ed è raro che gli spazi disponibili occupino una posizione compatibile con i requisiti della regola del 62 % (in termini di allineamento e di distanze).

Fortunatamente, con gli stessi calcoli del metodo precedente si può ricavare un'altra geometria, più facile da applicare. Si consideri di unire E e H e di tracciare la retta che attraversa quel segmento nel suo punto medio e che è perpendicolare al segmento stesso. Collocando l'elettrodo in un qualsiasi punto di quella retta, i valori di resistenza misurati si collocano fra 0,85 e 0,95 del valore reale della resistenza di terra dell'elettrodo. Moltiplicando quindi il valore misurato per 1,11 si ottiene il valore corretto della resistenza di terra, con un errore inferiore a ± 5 %. Si è inoltre osservato che, allontanando l'elettrodo di tensione dal segmento EH, la zona in cui il valore misurato rientra nell'intervallo di tolleranza indicato diventa più ampia: il metodo risulta così più tollerante rispetto alle variazioni di posizione dell'elettrodo di tensione.

L'errore della proposta può forse sembrare troppo elevato. Per valutare questo aspetto si può citare il dott. Tagg: «... teniamo presente che non è necessario un grado di precisione elevato. Errori del 5–10 % [nella misura della resistenza di terra] sono tollerabili ... Questo perché una resistenza di terra può variare con i cambiamenti di clima o di temperatura e, poiché tali variazioni possono essere considerevoli, non ha senso sforzarsi di ottenere una grande precisione.»

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Apparecchiature per la misura della resistenza di terra

Tellurometri MRU-100 e MRU-101 per la misura della resistenza di terra e della resistività del terreno

I misuratori di resistenza di terra MRU-100/MRU-101 sono strumenti portatili che misurano la resistenza di terra e la resistività del terreno con il metodo di Wenner.
Lo strumento può misurare resistenza e resistività con 2, 3 o 4 elettrodi.
L'apparecchiatura può essere alimentata con pile standard di tipo C o con batterie ricaricabili.
Le misure possono essere semplificate impiegando pinze amperometriche.

Condizioni normali di funzionamento: