Materiali pericolosi e messa a terra

Autore: Jeff Jowett, Applications Engineer

La messa a terra elettrica viene installata principalmente per motivi di sicurezza, ma anche per garantire un funzionamento efficiente degli impianti elettrici e delle apparecchiature installate. Il sistema di messa a terra devia le correnti indesiderate (correnti di guasto) in modo sicuro a terra e lontano da persone e apparecchiature per proteggerle da potenziali folgorazioni e incendi.

La messa a terra riduce inoltre il rumore e stabilisce un riferimento stabile a zero per la tensione, favorendo così il funzionamento corretto ed efficiente delle apparecchiature elettriche. Queste funzioni principali sono ben note e vengono comunemente implementate mediante strutture di messa a terra permanenti nel terreno, da una semplice asta per un terreno residenziale a una rete complessa ed estesa sottostante una sottostazione elettrica o un impianto commerciale.

Tuttavia, esistono funzioni di messa a terra meno note ma altrettanto importanti. Una di queste è la messa a terra dei materiali pericolosi durante il trasporto. Principalmente riguarda autostrade e ferrovie in situazioni normali e di incidente. Il problema non sono le prestazioni, ma la sicurezza. L'elettrodo di messa a terra normalmente non è una parte permanente di un impianto elettrico più grande, ma spesso è solo un'asta che viene installata frettolosamente in una corsa contro il tempo.

Le autocisterne e i carri cisterna delle ferrovie possono trasportare materiali volatili e potenzialmente pericolosi e possono essere coinvolti in incidenti. Quando ciò si verifica, il materiale pericoloso precedentemente ben protetto può essere immediatamente esposto a pericoli potenzialmente catastrofici. Uno dei peggiori è l'accensione. I materiali volatili possono facilmente incendiarsi o esplodere. Date le portate dei carri cisterna, la conseguente conflagrazione può devastare una piccola città. La responsabilità di evitare o contenere con successo tali potenziali disastri ricade solitamente sul corpo dei vigili del fuoco locale.
Uno dei principali colpevoli dell'accensione di materiali volatili è l'elettricità statica. Basti pensare alla doccia di scintille che si sprigionano quando un corpo metallico scivola senza controllo sulla superficie stradale. Questa sollecitazione violenta in un materiale conduttivo come lo scafo di un'autocisterna può causare rapidamente una separazione della carica. La carica statica solitamente si dissipa da sola come flusso di elettroni per ricostituire uno stato neutro. Tuttavia, se la separazione della carica avviene attraverso un traferro, anche di dimensioni ridotte, può verificarsi un arco elettrico. Se ciò si verifica in presenza di materiale volatile, il calore della scintilla può avviare una reazione a catena enorme e innescare un'esplosione devastante.

La dissipazione di carica sicura e non volatile si può ottenere facilmente con una messa a terra efficace. Prima è possibile stabilire una messa a terra a bassa resistenza, meglio è. Un conduttore di messa a terra con sezione grande con resistenza trascurabile è collegato a un'asta di massa conficcata a terra con l'altra estremità collegata allo scafo della cisterna interessata.

I vigili del fuoco e i soccorritori vengono addestrati per spostare la scintilla o l'arco elettrico potenziale davanti a loro. Quindi, collegano prima il cavo all'autocisterna e successivamente a massa. Si tratta di una funzione di sicurezza per proteggere vigili del fuoco e soccorritori. Una volta stabilito un buon percorso per gli elettroni, attraverso la terra può verificarsi un'equalizzazione sicura della carica.

Sebbene il suolo in piccole quantità non sia considerato un buon materiale conduttivo, la terra del pianeta nel complesso è un buon conduttore, principalmente perché è presente in grande quantità. La cosa importante è che l'asta di messa a terra sia in grado di creare un contatto efficiente e a bassa resistenza con la vastità del terreno circostante. Il semplice inserimento di un'asta standard può fornire una buona messa a terra o potrebbe non essere sufficiente. La qualità conduttiva del suolo varia considerevolmente ed è profondamente influenzata dalle condizioni locali, dalle condizioni meteorologiche alle costruzioni locali. Per essere accurati e rigorosi, nonché per garantire la conformità a varie normative, come la copertura assicurativa e le norme di sicurezza locali, potrebbe essere necessario effettuare un test dell'asta.

Nei siti in cui si verifica un incidente, il tempo è essenziale. Anche se può essere consigliato o richiesto un test di resistenza per l'asta di messa a terra temporanea, è possibile che venga ignorato per motivi di convenienza. Per eseguire effettivamente l'attività, il metodo di scelta più ovvio sarebbe il test con pinza. Un tester di messa a terra con pinza è simile a un amperometro con pinza; le ganasce vengono aperte e fissate intorno all'elemento da sottoporre a test e voilà, si ha la misurazione.

Purtroppo, non è così facile. 

Un tester di messa a terra con pinza è dotato di due circuiti e due avvolgimenti nelle ganasce, uno per la corrente e uno per la tensione. Una corrente di test viene indotta sul sistema di messa a terra e la caduta di tensione misurata attorno al circuito. Per calcolare la resistenza viene utilizzata la legge di Ohm. La tecnica funziona bene nei sistemi di messa a terra in cui il neutro con messa a terra multipla fornisce un pratico ritorno a bassa resistenza. Ma su un'autocisterna capovolta, non esiste alcun circuito di questo tipo. Il tester leggerà semplicemente un circuito aperto.

È possibile allestire un ritorno temporaneo facendo tornare un filo da un paletto di recinzione in metallo, ma si tratta, nella migliore delle ipotesi, di un'alternativa eccezionale o "migliore di nulla". A un esame attento di terze parti, non andrebbe bene. Viene quindi chiamato in causa un metodo più tradizionale: in questo caso, un tester di messa a terra standard a tre o quattro terminali. Qui, al posto degli avvolgimenti in una pinza, i circuiti di tensione e potenziale si estendono attraverso fili lunghi dai terminali del tester alle sonde inserite a terra a distanze discrete.

Queste distanze dipendono in gran parte dalle condizioni del terreno e possono essere di centinaia di metri, difficilmente utilizzabili per un rapido test sotto pressione. La procedura completa, come descritto in IEEE Std.  81, ad esempio, consiste nel rappresentare graficamente una serie di letture effettuate a intervalli regolari man mano che la sonda di potenziale viene spostato verso la sonda di corrente. Il grafico mostra la resistenza massima ai limiti del campo elettrico intorno all'asta di messa a terra, oltre la quale non si rileva alcuna resistenza aggiuntiva. Questa procedura è chiamata caduta di potenziale (FOP) ed è regolarmente descritta nella letteratura. La sua limitazione è ovvia: il tempo. Per una struttura permanente, come un terreno edificabile, è il metodo di scelta. Ma per la messa a terra dei materiali pericolosi, un metodo più rapido è l'ordine del giorno.

I tecnici esperti che eseguono test di terra spesso prendono una scorciatoia per la caduta del potenziale semplicemente spostando la sonda di potenziale avanti e indietro di cinque o dieci piedi (1,5 m o 3,0 m) ed effettuando due o tre letture aggiuntive, invece di tracciare l'intera distanza. La misura visualizzata sullo strumento di test è la resistenza del suolo al punto di posizionamento della sonda di potenziale. Le tre o quattro letture raccolte in questo modo possono variare di poco a causa di incoerenze localizzate nel terreno, ma è possibile fare una media per ottenere una misurazione accettabile. 

Ciò che non si desidera vedere sono numeri in costante aumento quando la sonda di potenziale viene allontanata dalla messa a terra sotto test. Ciò indica che la resistenza massima che definisce la qualità del collegamento a massa non è stata raggiunta. Il test viene eseguito all'interno del campo elettrico della messa a terra di test, non oltre. Le sonde devono essere spostate a distanze maggiori e il test rieseguito.

Poiché ogni misurazione di questo tipo potrebbe non essere esattamente uguale all'ultimo decimale, è necessario che la valutazione del risultato sia soggetta all'interpretazione da parte dell'operatore. È qui che può generarsi l'errore. Per rendere questo test più affidabile in modo obiettivo, è possibile accedere alla caduta semplificata del potenziale. La procedura di test è sostanzialmente la stessa, con sole tre misurazioni. Tuttavia, anziché essere l'operatore a decidere, il risultato del test viene deciso da una breve prova matematica. 

Le tre letture vengono effettuate a metà, al 40% e al 60% della distanza dalla sonda di corrente. Viene quindi fatta una media e quella che si discosta maggiormente dalla media viene espressa come percentuale della media. Questo valore viene quindi moltiplicato per un fattore di correzione di 1,2. Il calcolo risultante è la precisione in percentuale della media, come una dichiarazione di precisione per un misuratore. Si applicano le stesse regole generali. 

Ad esempio, il risultato è 10,2 Ω e la precisione calcolata è dell'1,5%, quindi è corretto. Se, la precisione è peggiore del 10%, ovvero lo standard del settore, il test deve essere considerato inaccettabile e ripetuto con una nuova distanza tra le sonde. L'inclusione del calcolo della precisione in un rapporto di test fornisce l'obiettività del test ed elimina lo stigma di una possibile cattiva interpretazione da parte dell'operatore agli occhi di terze parti.

Il passo in avanti effettuato in termini di tempi di test grazie al passaggio a una singola misurazione, ci conduce alla consueta regola del 62%. Ampiamente diffuso nella letteratura sui test di messa a terra, il metodo consiste nel posizionare la sonda di potenziale al 62% della distanza dalla sonda di corrente ed effettuare una singola misurazione. Sì, questo metodo funziona, ma si basa su condizioni di test ideali. Secondo la teoria alla base di questo metodo, un grafico FOP coincide con la posizione della sonda per la misurazione perfetta al 62% (in realtà 61,8%) della distanza dalla sonda di corrente.
 

Poiché un grafico FOP completo copre tutti i punti, da zero virtuale sulla messa a terra di test a un valore superiore a quello della messa a terra di test, a causa della resistenza sovrapposta della sonda di corrente, il grafico deve coincidere in un determinato punto con la misurazione corretta.

Questo punto corrisponde al 62%.Tuttavia, non si tratta di una procedura di test universale perché si basa su condizioni ideali. Tra i numerosi fattori, si annoverano l'uniformità del terreno, l'assenza di oggetti interrati e il posizionamento della sonda di corrente a una distanza sufficiente a non includere la propria resistenza. Queste condizioni spesso, all'atto pratico, non vengono soddisfatte e quindi sono necessari altri metodi. Tuttavia, il metodo del 62% ha un riferimento nell'IEEE Std. 81 e, in molti casi, è in grado di ottenere la misurazione corretta, più o meno per fortuna. Con i tempi stretti che spesso accompagnano la distanza dai materiali pericolosi, può essere la scelta migliore.

L'asta di messa a terra è stata verificata, ma anche il conduttore di messa a terra che passa dal serbatoio all'asta deve essere verificato affinché fornisca un percorso continuo a bassa impedenza. Questa procedura risulta relativamente facile con un tester di messa a terra a tre o quattro terminali. Non richiede un'apparecchiatura di test aggiuntiva. 

I moderni tester sono dotati di un selettore che consente all'operatore di inserire il numero desiderato di terminali per il test richiesto. I ponticelli fisici tra i terminali non sono più necessari come un tempo; è sufficiente ruotare il selettore nella posizione a due terminali e posizionare i puntali per test dal serbatoio all'asta. In pochi secondi, viene visualizzata la resistenza del conduttore di messa a terra che deve essere inferiore a un ohm. Se viene visualizzato un valore elevato, adottare le misure necessarie per serrare il contatto su entrambe le estremità. In alternativa, potrebbe essere necessario sostituire il conduttore.

Il sito è stato ora collegato a massa e le cariche statiche sono state dissipate in modo innocuo nel terreno. Ma il lavoro non è terminato. I materiali pericolosi devono essere scaricati in contenitori o serbatoi sicuri. Normalmente, i liquidi che passano attraverso i tubi flessibili sono considerati benigni, ma in realtà, l'attrito coinvolto può separare nuovamente la carica nel materiale dei tubi flessibili e il sito torna in una condizione pericolosa con il rischio di archi elettrici. Per evitare questo problema, i tubi flessibili devono essere testati elettricamente. 

A questo punto, è necessario un altro dispositivo di test, un tester d'isolamento. Fortunatamente, nessuno dei requisiti è impegnativo, pertanto è possibile utilizzare un tester economico con funzioni di base. Lo standard del settore prevede l'esecuzione di un test a 500 volt, end-to-end. La resistenza del materiale del tubo flessibile deve essere sufficientemente bassa da consentire il movimento della carica per contrastare gli effetti del fluido che passa rapidamente all'interno, in modo che la separazione pericolosa della carica non si sviluppi sulla superficie e non crei tensione nel punto di arco. 

Poiché i tubi flessibili sono realizzati in materiale isolante, sono coinvolte resistenze molto più elevate e quindi è necessaria una tensione di test maggiore. Materiali diversi hanno proprietà leggermente diverse e i produttori devono consultare le relative raccomandazioni. La resistenza deve essere regolata in base alla lunghezza del tubo flessibile, ma in generale viene riconosciuto uno standard industriale inferiore a 1 MΩ.

I siti con materiali pericolosi possono essere volatili e pericolosi, ma sono definite tutte le procedure disponibili per rendere i siti sicuri, a condizione che vengano applicate con diligenza le pratiche di lavoro sicure.

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