Correnti vaganti nei tubi dell'acqua in un impianto a osmosi inversa (RO)

Autore: David Stockin, E&S Grounding Solutions

Questo articolo è stato redatto in collaborazione con David Stockin, Presidente di E&S Grounding Solutions, un'azienda con una vasta esperienza nello sviluppo, nella progettazione e nell'implementazione dei sistemi di messa a terra.

Informazioni generali sull'osmosi inversa

Gli impianti idrici a osmosi inversa (RO, reverse osmosis) si affidano all'alta pressione e a un processo elettrochimico, o più precisamente, a un gradiente elettrochimico, per pulire e desalinizzare l'acqua. Si tratta di un processo elettrochimico, perché coinvolge sia la chimica che l'elettricità. In questo articolo non ci dilungheremo nei dettagli del processo, ma ci limiteremo ad affermare che una quantità eccessiva di flusso elettrico non solo può interferire con la desalinizzazione e la pulizia dell'acqua, ma può anche aumentare i tassi di corrosione dell'infrastruttura di acciaio nell'impianto.

Una regola empirica relativa all'uso del sistema RO per il trattamento di pulizia e desalinizzazione dell'acqua di mare stabilisce che, per trattare circa 500.000 galloni (2 milioni di litri) al giorno, pari a circa 20.000 galloni (80.000 litri) all'ora, è richiesto un sistema trifase da 480 V in grado di alimentare motori con una potenza nominale complessiva di 300 HP (250 kW). Questo sistema di trattamento, con un'unità a frequenza variabile (VFD, variable frequency drive), assorbe tra 400 e 450 A solo per alimentare i motori delle pompe.

I vantaggi dell'aggiunta di un'unità VFD a un motore elettrico non possono essere sopravvalutati. Oltre a migliorare l'efficienza elettrica, è in grado di fornire cambi di velocità programmabili, valori nominali di coppia migliorati, avviamenti graduali, arresti graduali, operazioni regolari a velocità inferiori, maggiore coerenza, coppia frenante più elevata e molti altri vantaggi. Tuttavia, le unità VFD presentano degli svantaggi. Mentre tutti i motori elettrici generano una certa rumorosità elettrica e campi elettromagnetici di grandi dimensioni che possono indurre correnti indesiderate nell'infrastruttura dell'acciaio circostante, le unità VFD introducono nell'impianto elettrico ulteriori frequenze risonanti, armoniche e di commutazione anomale.

Molte di queste frequenze anomale finiscono sull'indotto e sull'albero del motore, che è proprio dove è collegata la girante della pompa dell'acqua. Questo è il luogo perfetto in cui le correnti vaganti entrano nel lato dell'acqua non depurata del sistema RO.

Esistono molti modi per ridurre il rumore elettrico generato dalle unità VFD, tra cui l'uso di filtri di armoniche passivi (una combinazione di reattori e condensatori), filtri di armoniche attivi, tecnologia di modulazione ampiezza impulso (PWM), trasformatori di isolamento, filtri di compatibilità elettromagnetica (EMC), isolatori passanti di messa a terra per alberi motore, elettrodi di messa a terra isolati e molto altro. Questo articolo non esamina l'ingegneria elettrica necessaria per ridurre l'impatto di un'unità VFD, e si limita solamente ad affermare che se si utilizzano le unità VFD è probabile che si abbia un rumore elettrico anomalo, il che significa che è necessario cercare di migliorare i sistemi di messa a terra e utilizzare una tecnologia di filtraggio.

Sulla base di questi fattori, si potrebbe pensare che molti impianti di trattamento delle acque sembrino essere progettati quasi intenzionalmente per iniettare correnti vaganti nell'acqua trattata. Molte persone sanno che l'acqua pulita non conduce l'elettricità molto bene, ma l'acqua salata è altamente conduttiva e l'acqua "grezza", ovvero l'acqua prima che passi attraverso le membrane di trattamento, è in genere anch'essa conduttiva. Una volta che le correnti vaganti iniziano a scorrere attraverso l'acqua, devono fuoriuscire da qualche parte prima che l'acqua diventi pulita e non conduttiva.

Se tale punto di fuga è il punto in cui sono situate le membrane, queste correnti vaganti potrebbero interferire con i processi elettrochimici che si verificano tra gli strati delle membrane, causando una perdita di efficienza. Se tale punto di fuga passa solo attraverso gli alloggiamenti dei filtri in acciaio o le tubazioni in acciaio e le correnti vengono forzate a percorrere grandi distanze prima di trovare un percorso a terra, il flusso di corrente longitudinale può aumentare drasticamente il tasso di corrosione sui componenti strutturali in acciaio dell'impianto RO.

Informazioni generali sulla massa/messa a terra

Esistono generalmente due tipi di sistemi di massa o messa a terra: quelli progettati per gestire le correnti indesiderate e quelli progettati per proteggere i sistemi da tali correnti. Prendiamo in considerazione una sottostazione elettrica ad alta tensione o un sistema di protezione contro le scariche elettriche; entrambi sono progettati per gestire correnti elettriche anomale e condurre in modo sicuro tali correnti a terra. In questi casi, progettiamo un sistema di messa a terra con molti collegamenti e percorsi paralleli in modo da poter "dividere e conquistare" la corrente. Tuttavia, nel caso di un dispositivo elettronico sensibile all'interno di una sottostazione, installiamo solo collegamenti a punto singolo o a "massa isolata" per evitare che correnti anomale danneggino le apparecchiature sensibili. Nel caso di un impianto RO, dividiamo e conquistiamo la corrente con molti collegamenti dai componenti in acciaio fino alla terra.

Nota: il termine "objectionable current" (corrente anomala) viene spesso utilizzato dal National Electrical Code (NEC) per indicare le normali correnti neutre che ritornano al trasformatore tramite il sistema di messa a terra anziché tramite il filo neutro. In questo articolo, utilizziamo il termine più ampiamente per tutti i tipi di correnti vaganti, armoniche, di commutazione, transitorie, ecc. Concetti simili vengono utilizzati nei vari standard IEC in relazione alla messa a terra.

È il momento giusto per trattare alcuni principi di base:

In primo luogo, l'elettricità si basa sul movimento di elettroni liberi e ioni, apportati dagli atomi. Dove si possono trovare molti atomi? A terra. Quindi, se abbiamo un sistema di messa a terra ben progettato, per liberarci delle correnti anomale possiamo "scaricarle" a terra tramite un percorso conduttivo.

In secondo luogo, il rame è da 12 a 17 volte più conduttivo dell'acciaio. Il rame è anche diamagnetico in modo che il campo magnetico possa penetrarlo a una profondità da 250 a 6000 volte superiore rispetto all'acciaio, pertanto le correnti ad alta frequenza vengono condotte con una concentrazione minore sulla superficie del conduttore. Questo effetto positivo viene moltiplicato alle elevate velocità di commutazione e alle armoniche del rumore dell'unità VFD, rendendo un sistema di messa a terra diretta collegato all'unità VFD un modo efficace per condurre correnti anomale direttamente a terra e lontano dai sistemi sensibili.

In terzo luogo, il flusso longitudinale di corrente sull'acciaio (e su altri metalli) può aumentare il tasso di corrosione. Fornire un percorso alternativo e più conduttivo verso terra, sotto forma di conduttori in rame, alluminio o acciaio inossidabile, aiuta a bilanciare la differenza di potenziale all'interno della struttura. È uno dei modi migliori per proteggere la struttura dai rischi di correnti anomale.

Cosa abbiamo imparato? In primo luogo, è molto importante installare misure elettriche sull'unità VFD per ridurre la quantità di correnti anomale e vaganti che entrano nell'impianto idrico durante la fase di pompaggio iniziale. In secondo luogo, un sistema di messa a terra ben collegato rimuoverà le correnti rimanenti, contribuendo a migliorare l'efficienza delle membrane e a ridurre la velocità di corrosione.

Test dei sistemi di messa a terra

Come è possibile effettuare misurazioni per verificare la presenza di correnti vaganti nel nostro sistema di purificazione dell'acqua? A tale scopo, l'utensile migliore è un tester di resistenza della messa a terra a pinza DET14C o DET24C di Megger. Funzionalità simili sono fornite dai prodotti DET2/3 e DET4 con il cosiddetto metodo "senza picchetti", che utilizza due pinze separate. Questi strumenti contengono due trasformatori di trasduzione in grado di misurare con precisione correnti alternate fino a 0,5 mA. Sono in grado di misurare anche la resistenza inducendo un segnale di test attraverso una delle bobine. La prima bobina è una bobina attiva che inietta un segnale di test noto in qualsiasi oggetto posizionato tra le ganasce. La seconda bobina è una bobina passiva in grado di misurare il segnale di ritorno ed eventuali perdite che si possono verificare durante il suo percorso attraverso il circuito, consentendo così allo strumento di calcolare un valore di resistenza per il circuito sottoposto a test. È possibile utilizzare questo strumento per verificare se il nostro impianto RO presenta correnti vaganti e anomale.

Sono presenti diversi punti circostanti la struttura in cui effettuare le misurazioni. Innanzitutto, misuriamo la corrente impostando lo strumento in modalità amperometro (selettore in posizione "A"). Nella modalità di misurazione della corrente, il trasduttore attivo viene spento e il trasformatore di corrente passivo viene acceso. 

Ci sono alcune aree chiave in cui effettuare le misurazioni:

• Il conduttore dell'elettrodo di terra (GEC, Grounding Electrode Conductor) sul quadro elettrico principale 
• Il GEC (X0) sul trasformatore di alimentazione, se possibile 
• Il GEC al sistema di elettrodi di terra principale 
• Il GEC, se installato, sull'unità VFD 
• Il conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura (EGC, Equipment Grounding Conductor) verso l'unità VFD
• Tutti i collegamenti equipotenziali della rete di messa a terra all'acciaio strutturale dell'impianto RO 
• È possibile applicare la pinza su qualsiasi tubo dell'acqua in plastica, soprattutto sul lato dell'acqua non depurata

I tester di resistenza della messa a terra a pinza Megger DET14C e DET24C sono dotati di una funzione di avvertenza automatica di rumore-corrente incorporata che rileva la presenza di rumore elettrico (transienti, armoniche e altre frequenze) sul circuito sottoposto a test. Assicuratevi di annotare la corrente per ciascun oggetto sottoposto a test e di verificare se la funzione di avviso acustico sia attiva o meno. Tutte le correnti misurate devono essere inferiori a 1 A e preferibilmente inferiori a 100 mA.

Sebbene in questo articolo è quasi impossibile considerare tutte le possibili cause di correnti più elevate, ecco alcuni esempi:

• Corrente elevata sull'XO del trasformatore: possibile collegamento neutro-terra errato in un pannello secondario (vedere NEC 250.6) 
• Corrente elevata sul GEC o sull'EGC dell'unità VFD: potrebbe essere necessario un dispositivo di filtraggio del rumore elettrico, come descritto in precedenza in questo articolo 
• Corrente elevata sull'elettrodo di terra o sui collegamenti strutturali in acciaio equipotenziale: è possibile che si disponga di un sistema di elettrodi di terra non in grado di condurre il carico di corrente presente in esso verso terra 
• Corrente elevata sul tubo dell'acqua in plastica: potrebbero essere presenti correnti vaganti nel sistema dell'acqua

Test di resistenza: esempi pratici

Per eseguire alcuni test di esempio, è necessario portare il tester di resistenza della messa a terra a pinza Megger DET14C o DET24C in modalità resistenza impostando lo strumento in modalità ohmmetro (selettore in posizione "Ω"). Come ricorderete, questo misuratore è dotato di due trasformatori di trasduzione, uno attivo e uno passivo. In modalità resistenza, entrambe le bobine vengono attivate; la bobina attiva induce un segnale noto nel conduttore attorno al quale è fissato il misuratore; la bobina passiva legge quindi il segnale di ritorno per fornire una misurazione della resistenza fino ai limiti dello strumento. Se non c'è alcun segnale di ritorno, lo strumento legge un circuito aperto (cioè una resistenza superiore a quella che può misurare). Con lo strumento in modalità resistenza, è necessario misurare i seguenti elementi:

• Il GEC al sistema di elettrodi di terra principale 
• Il conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura (EGC, Equipment Grounding Conductor) verso l'unità VFD 
• Tutti i collegamenti equipotenziali della rete di messa a terra all'acciaio strutturale dell'impianto RO

I risultati previsti varieranno notevolmente a seconda della modalità di costruzione del sistema e dei circuiti che si stanno misurando. Ecco alcuni esempi che vi aiuteranno a valutare i vostri risultati:

• CASO 1 - Loop: in alcuni casi, quando si applica il misuratore attorno a un conduttore, il segnale proveniente dal trasduttore attivo passa attraverso il percorso conduttivo del loop tramite il trasduttore passivo, attraversando tutti i componenti metallici. In questo caso, si misura la "continuità" (la resistenza di un circuito metallico sconosciuto) ed è prevista una resistenza molto bassa, di molto inferiore a 0,1 ohm. Ciò conferma che vi è almeno un set completo di percorsi metallici conduttivi (un loop) con collegamenti efficaci nell'area circostante. 
• CASO 2 - Resistenza a terra: in altri casi, quando si applica lo strumento attorno a un conduttore, il segnale percorre il conduttore, un elettrodo di terra, si inserisce e attraversa la terra (che si presenta come resistenza), raggiunge un altro elettrodo di terra, quindi passa attraverso un percorso metallico, completando così il loop e tornando allo strumento. In questo caso, è prevista una resistenza di, ad esempio, 25 ohm e, in alcuni casi, molto di più. 
• CASO 3 - Messa a terra a punto singolo o isolata: in un altro caso, quando si applica il misuratore attorno al conduttore, il segnale si sposterà in un conduttore collegato a un oggetto elettricamente flottante senza percorso di ritorno. Immaginate un monopolo in legno con un singolo filo di messa a terra collegato a una scatola di metallo. In questo caso, è previsto che il multimetro restituisca una lettura di un circuito aperto, confermando che il collegamento è in realtà un unico punto. In questi casi è necessario utilizzare un ohmmetro standard con cavi per test per confermare la continuità al sistema di messa a terra della struttura.

Nella maggior parte dei casi, in uno scenario di un impianto RO, è preferibile il caso 1, per poter verificare la presenza di continuità sul sistema di messa a terra equipotenziale e le condizioni ottimali dei collegamenti.

E&S Grounding Solutions consiglia vivamente di utilizzare una mappa del sito della struttura e di posizionare i risultati dei test sulla mappa in modo da poter individuare visivamente dove si verificano letture di corrente elevata e/o di resistenza errata. A quel punto sarà possibile prendere una decisione informata su come risolvere eventuali problemi riscontrati.

• Il vostro impianto RO è composto principalmente da tubazioni in plastica e sono presenti correnti vaganti nell'acqua che causano guasti e corrosione delle apparecchiature? Forse è necessario installare un breve tratto di tubo in acciaio inossidabile collegato al sistema di messa a terra in modo che le correnti vaganti che scorrono attraverso l'acqua abbiano un percorso verso terra che evita i filtri della membrana. 
• Il sistema di messa a terra collegato all'unità VFD presenta livelli elevati di rumore e corrente? Forse è necessario un sistema di filtraggio elettronico e un migliore collegamento del conduttore dell'elettrodo di terra (GEC, Grounding Electrode Conductor) al sistema di elettrodi di terra sotto il livello minimo. 
• Sono state rilevate correnti più elevate del previsto in praticamente tutte le misurazioni effettuate? Forse è necessario un sistema di elettrodi di terra migliore e una buona ispezione dei pannelli per vedere se sono presenti correnti neutre anomale che tornano al trasformatore sulle parti metalliche conduttive esposte (vedere NEC 250.6).

Abbiamo parlato con Alan Davies, presidente di HydroDynamic Solutions, un importante installatore di sistemi a osmosi inversa di livello industriale. Racconta la storia di un cliente che spende oltre 100.000 dollari ogni anno solo per perdite di pompe dell'acqua, a causa delle correnti vaganti nel sistema dell'acqua non depurata dell'impianto RO. Dopo aver ispezionato con attenzione il suo sistema, ritiene che la responsabilità sia di una vicina sottocentrale elettrica di proprietà della società di servizi pubblici. Sembra che alcune correnti vaganti provenienti da un trasformatore che presenta perdite nella sottostazione penetrino nella rete idrica e danneggino l'impianto RO del cliente. Attualmente sta valutando l'uso di una tenda in rame anti-EMI interrata per proteggere l'impianto da tali pericoli. Naturalmente, ciò di cui ha veramente bisogno è che la società di servizi pubblici sostituisca l'impianto elettrico difettoso nella sottostazione.

Conclusione

Le correnti elettriche vaganti nell'acqua sono un problema importante per molte persone, non solo nell'industria ma anche nell'ambiente domestico. Nel corso degli anni, numerosi proprietari di abitazioni hanno segnalato l'introduzione di correnti vaganti provenienti dalla rete idrica verso la loro casa, causando problemi non solo con i tubi dell'acqua, ma anche con i sistemi della televisione via cavo (CATV), gli apparecchi telefonici e molto altro ancora.

Un isolatore elettrico sulla rete idrica in ingresso è generalmente una buona idea se non si utilizza la tubazione dell'acqua come elettrodo di terra principale. (Nota: è necessario un collegamento con il tubo dell'acqua in rame al sistema di messa a terra, tuttavia è preferibile utilizzare un elettrodo di terra dedicato come percorso di corrente di guasto e non utilizzare il tubo dell'acqua come elettrodo). La misurazione delle correnti nell'acqua con un tester di resistenza della messa a terra a pinza Megger DET14C o DET24C applicato a un tubo dell'acqua in plastica è un ottimo modo per verificare rapidamente se sono presenti correnti alternate che attraversano la rete idrica (le correnti dirette non possono essere misurate utilizzando tali trasduttori).

Un sistema di rete idrica adeguatamente collegato conforme agli articoli 250.52(A) (1), 250.53(D), 250.68(C), 250.104(A) del NEC e ad altri codici industriali è sempre un ottimo punto di partenza per ridurre l'impatto di problemi elettrochimici nel sistema dell'acqua.