Elettrificazioni
Problema elettrostatico delle scariche atmosferiche naturali.
Prefazione
Preambolo iniziale
Cenni sui fulmini e sulle sovratensioni in genere
Un preambolo iniziale: ci sono fulmini positivi e fulmini negativi. Dal cielo verso terra e da terra verso il cielo… l'effetto è pressoché uguale…. non si riesce mai a fermare completamente i fulmini; in qualche luogo si devono scaricare e sempre verso la terra.
La protezione dall'esterno consiste in una gabbia metallica che avvolge tutta l'abitazione.
Ovviamente questa soluzione, visto il costo di esecuzione, si può solo fare per impianti industriali oppure per fabbricati di pregio.
Noi, singoli cittadini, possiamo invece rispettare certe regole per impedire o per ridurre gli effetti disastrosi del fulmine e della sovratensione indotta sull'impianto elettrico in genere e sui nostri elettrodomestici.
Il fulmine colpisce il punto più alto del fabbricato, abitualmente il palo dell'antenna o similare, che porta la polarità negativa del terreno il più vicino alle nuvole caricate elettrostaticamente.
Idealmente se la nostra abitazione si trovasse nei pressi di una linea elettrica di alta tensione (130.000 volt e oltre), ma con un minimo di distanza di sicurezza — almeno 50 metri —, a questa distanza non subiremmo l'effetto del campo elettromagnetico, deleterio per la salute? Forse dagli studi fatti risulta non vero (ma per un'esperienza mia in un periodo meno recente, abitando proprio a pochi metri di distanza da una linea elettrica da 132 kV con il letto rivolto da quel lato, ho sempre avuto una forte emicrania nelle ore libere che poi sistematicamente e come per incanto mi passava rientrando al lavoro in ambiente schermato), e ci troveremmo ben distanti dal raggio di azione dell'ionizzazione atmosferica causa di forte sovratensione. Le scariche atmosferiche verrebbero di sicuro e drasticamente dirottate sulla protezione di questa linea elettrica (fune di guardia), scontentando di certo il gestore della rete ma lasciando contenti noi.
Abitualmente il palo dell'antenna TV non viene mai messo realmente a terra con dei cavi elettrici di sezione appropriata, pensando (questo lo condividono anche tanti tecnici del ramo, sbagliando) che se lasciamo isolato il palo metallico il fulmine se ne va da altri aggeggi e non disturba noi.
Sbagliato, perché il cavo coassiale dell'impianto TV, composto da un filo interno detto "anima" e uno esterno detto "calza", è il nostro piccolo impianto di messa a terra.
Questa calza di rame composta da piccoli fili intrecciati ha una sezione scarsa di circa 1 mm quadro e percorre tutta la casa passando dal centralino TV alle televisioni installate attraverso le prese TV; nel televisore passa attraverso due fili collegati con dei piccoli condensatori al telaio della televisione e poi, con due condensatori in coppia e delle bobine di sbarramento, attraverso l'alimentatore va direttamente sui due capi della nostra rete di casa a 220 volt (composta da un polo detto "fase" e un altro detto "neutro"); percorrendo poi la rete del gestore fino alla cabina elettrica, si attesta su un trasformatore di tensione 15 kV/380 volt (con il punto centrale dell'avvolgimento, detto collegamento a stella, collegato rigidamente a terra). Qui arriva il nostro fulmine, ma ormai si è disperso e per di più ha fatto danni su tutti gli altri elettrodomestici. Per inciso, tutti questi danni non ci sarebbero stati, o almeno sarebbero stati notevolmente ridotti, se ci fosse stata "la messa a terra del palo a regola d'arte", con una sezione appropriata.
Sistemi adottati per la prevenzione delle sovratensioni in campo domestico
Dicevamo, un bell'impianto di terra: è ideale, in fase di costruzione del fabbricato, usufruire degli scavi per acque reflue e fognature per inserire prima di tutto, a contatto del terreno sotto queste tubazioni e ricoperta di terra fertile, una corda di rame crudo di almeno 35 mm quadri, collegata a delle puntazze di metallo zincato ad ogni angolo della casa e distanti almeno due metri dal fabbricato, costruendo un anello attorno allo stesso.
Ma andiamo per ordine, cominciando dal nostro amato TV che costa tanti soldi: si collega il nostro palo delle antenne, metallico e solitamente zincato, con una robusta corda di rame di diametro pari o superiore a 35 mmq, ben ancorata al palo con un bullone di almeno 12 mm possibilmente in inox o ottone (questi con gli anni si deteriorano), prevedendo che detta corda di rame sia ovviamente flessibile, ben isolata, protetta da almeno due guaine isolanti. Si segue un percorso senza curve a 90°, fino al piano terra, evitando di passare vicino ad altre tubazioni elettriche od idrauliche, sanitari e impianti elettrici vari; poi si esce e si collega a un dispersore di terra singolo (non è importante la quantità di puntazze di questa parte di messa a terra, comunque ciò non toglie che se ne possano aggiungere altre, ma rispettando le distanze del gruppo da altre messe a terra) che si collega sempre con un bullone inox del 12 mm. Detta puntazza (almeno 175 cm ben infissa nel terreno, possibilmente terra vegetale, escludendo la presenza di terreno sabbioso) deve essere differenziata e non deve venire a contatto con la maglia di terra o con dispersori della terra generale del fabbricato (mantenere almeno 6 metri da questa), per impedire che si possano creare collegamenti pericolosi o vie di ritorno sul nostro impianto elettrico da parte del fulmine non ancora "domato".
Occorre dotare di robusti varistori il centralino TV sulle uscite coassiali e sulla sua alimentazione verso i 220 volt; poi si introducono su tutti i cavi coassiali nuclei di ferrite ben dimensionati, ovviamente con un foro di diametro appropriato per calzare esternamente i cavi. Questo va fatto sui cavi dalle antenne, sui cavi che vanno all'impianto TV, su tutti i partitori induttivi ai vari piani, su tutti i cavi in ingresso agli appartamenti e pure sui partitori di smistamento dentro gli appartamenti verso le varie prese, e infine su ogni cavo in uscita verso i vari TV, DVD, video, ecc.
Per ultimo occorre predisporre dei variatori, sempre a tensione nominale 400 volt e almeno 1000 A di picco istantaneo, collegati a una corda di terra; un filtro passa-basso sulle alimentazioni dei più importanti elettrodomestici (TV, PC, frigo, lavastoviglie, ecc.).
Questi elettrodomestici sono provvisti di vari condensatori verso terra, bobine di sbarramento di passaggio, ancora di varistori con tensioni nominali di 220 volt, toroidali in ferrite, dove vengono introdotti i collegamenti della nostra rete verso l'utilizzatore.
Tutti questi dispositivi costringono l'eventuale sovratensione a contrastarsi automaticamente per effetto di un campo magnetico in opposizione, creato dal passaggio delle correnti sui due fili dell'alimentazione bloccate dai toroidali, scaricate sull'impianto di terra attraverso i condensatori e per ultimo dai varistori che dovrebbero resistere alle correnti residue (in caso contrario arrivano anche a rompersi, ma nel frattempo il tutto si è già scaricato verso la nostra maglia di terra ben dimensionata).
Ritornando al nostro solaio e alla nostra antenna, si potrebbe dotare l'anima del nostro cavo coassiale che scende dalle varie antenne di un partitore resistivo in cascata di circa 4 resistenze tutte di pari resistenza da 1÷5 ohm, costruendo una catena lunga almeno 5 cm, e bobine di sbarramento composte da un avvolgimento eseguito su nuclei di ferrite saldate rigidamente alla fine della catena resistiva in serie a due varistori che si collegano alla corda di terra da 35 mmq.
La caduta del segnale televisivo, espressa in millivolt, è ininfluente; per quanto riguarda le induttanze, essendo la frequenza del segnale TV altissima, la resistenza è elevatissima e non viene cortocircuitato nessun segnale verso massa; invece le nostre scariche elettrostatiche sulla doppia serie di resistenze di piccola potenza dissipatrice (1/4 di watt) ne causano la distruzione con conseguente isolamento; i varistori garantiscono, nel periodo di passaggio della sovratensione, una scarica verso massa, poi il circuito si interrompe e si isola impedendo che si propaghi sull'impianto TV, creando un isolamento teoricamente insormontabile da quel lato e invogliando il transito tra palo, antenna e corda di rame verso la nostra puntazza singola con resistenza bassissima (ci sarà comunque un travaso di forte corrente rispetto alle elevate tensioni in gioco delle sovratensioni create dal fulmine), e detto circuito è costruito per resistere a transitori di corrente di picco altissimi. Sarà pure ininfluente la resistività verso il terreno del nostro dispersore, anche se supera i 50 ohm: questo sarà sempre un percorso privilegiato e più redditizio per il nostro fulmine piuttosto che passare attraverso tutti quei "trappolini" che contrastano il suo avanzamento.
In confronto, la via che gli proponiamo è un'autostrada a quattro corsie, con la nostra corda di 35 mmq di rame ben incanalata e senza possibilità che poi cambi idea ed esca altrove di nuovo allo scoperto per creare altri danni.
Il dispersore di terra deve essere ben amalgamato al terreno e possibilmente impedire che nei paraggi si creino pericolose tensioni di passo (tensioni di passo: considerando un adulto che cammina con un passo di circa 60 cm, non devono superare i 55 volt, pena la folgorazione del malcapitato); il dispersore non deve essere accessibile dal punto dove finisce la giunzione della corda di rame (opportunamente isolato dal resto come specificato in precedenza), deve trovarsi ad almeno un metro dal livello del terreno, deve essere distante dagli altri dispersori di almeno 6 metri, e possibilmente sotto uno strato di cemento senza troppe armature in ferro (tipo marciapiede), che ne isola parzialmente il contatto dispersore-persona.
L'impianto di terra generale deve consistere di vari dispersori infissi attorno alla casa e collegati fisicamente tra loro con una corda di rame nuda, portando la resistività del nostro impianto a un massimo di 5 ohm; si può scendere tranquillamente sotto questa resistenza e se poi si arriva a 1 ohm o ancora meno la cosa è ottima, ma non bisogna mai andare oltre i 20 ohm, che comunque è il limite di un impianto molto scadente.
Impianto elettrico: inizio
Centralino distribuzione energia
L'impianto elettrico deve essere composto da un centralino di smistamento, dotato di un magnetotermico generale ben dimensionato in base alla nostra potenza impegnata col gestore elettrico, poi dai vari impianti separati, ognuno dotato di un differenziale magnetotermico appropriato a ogni linea singola o gruppo di linee; è opportuno dotare di riarmo automatico le linee più importanti che devono garantire continuità (tipo frigo, congelatore ed eventuali servizi di comandi domotici, ecc.). Questi accessori "stop&go", in caso di scatto intempestivo o per una sovratensione, si richiudono; se invece lo scatto è causato da un malfunzionamento degli utilizzatori, si riapre e non si richiude, rimanendo in attesa di controllo manuale.
Come avevamo detto in precedenza, dobbiamo dotare gli elettrodomestici più importanti di filtri passa-basso e scaricatori di protezione.
Ma in primis, dopo il nostro magnetotermico generale, compatibilmente con le disponibilità, si dovrebbe inserire un grosso filtro passa-basso al quale demandiamo il compito di bloccare tutte le eventuali anomalie che arrivano dalla linea elettrica del gestore, comprese le sovratensioni anomale.
Ovviamente potremmo inserire il filtro a monte del nostro interruttore generale, demandando l'eventuale intervento di protezione al generale del gestore, ma la cosa non è consigliabile perché avremmo una parte del nostro impianto con presenza di tensione in caso di apertura dell'interruttore generale durante un'eventuale manutenzione dell'impianto, e per di più coinvolgeremmo il gestore nella non remota possibilità che il filtro si avariasse per un forte intervento di corrente al passaggio della nostra sovratensione.
In seguito tratteremo i seguenti argomenti:
Separazione degli impianti di terra
Impianto generale di terra a norma
Impianto di terra separato per eventuali sovratensioni dal tetto
Impianto di terra separato per le eventuali sovratensioni in circolo da antenne o altro.
Protezioni sovratensioni
Trasformatori di isolamento
Scaricatori domestici
Filtri di potenza preliminari
Filtri vari di protezione sulle linee interne dell'appartamento
Filtri e scaricatori sugli elettrodomestici
Nuclei di ferrite
Gruppi di continuità e filtri per i nostri device pensanti
Problemi sugli alimentatori sempre in tensione di cellulari, smartphone, tablet e vari device pensanti
Considerazioni su problemi pratici, in particolare con consigli ed esperienza pratica.