Generalità

La protezione dai contatti indiretti in un impianto alimentato da un gruppo elettrogeno (GE) si consegue negli stessi modi previsti per gli impianti alimentati dalla rete. Quindi con interruzione automatica del circuito (sistemi TT, TN) oppure senza interruzione automatica del circuito (sistema IT, separazione elettrica).

Separazione elettrica

Per gli impianti poco estesi (si veda in proposito questa risposta) è adatta la separazione elettrica.

Se, come è frequente, il GE fa parte di un impianto più vasto TT, TN o IT,  ed alimenta parte di questo impianto, la separazione elettrica per questa parte è sempre attuabile. Non bisogna collegare le masse delle apparecchiature alimentata dal GE all'impianto di terra generale "intenzionalmente" (CEI 64.8 413-5-3). Un eventuale guasto sull'impianto di terra generale, con mancato intervento delle protezioni, trasferirebbe infatti alle masse del GE una tensione.  E' inutile predisporre un differenziale all'uscita del GE che adotta la separazione elettrica, in quanto esso non interverrebbe poiché le eventuali correnti di dispersione si richiuderebbero attraverso di esso. Un differenziale su circuiti derivati è pure inutile in quanto la corrente di dispersione capacitiva è comunque piccola per la limitata estensione. Gli apparecchi alimentati dal GE devono però avere le masse tra loro collegate.  Un eventuale secondo guasto su una fase diversa rispetto a quella in cui si è verificato il primo, diventa in tal caso un cortocircuito, consentendo l'intervento dei magnetotermici nei modi e nei tempi previsti per il sistema TN (Si veda in proposito questa risposta). Se l'apparecchiatura alimentata dal GE forma un corpo unico metallico con il GE stesso, non occorre fare alcun altro collegamento evidentemente. Eventuali apparecchi in doppio isolamento alimentati dal GE invece non dovranno aver alcun collegamento di loro parti metalliche alle precedenti masse. Le prese a spina uscenti dal gruppo devono avere il polo  di terra collegate alla massa del gruppo.

Nel caso in cui il GE sia usato in emergenza per servizi alimentati nel funzionamento ordinario dall'impianto normale, il collegamento a terra che questi servizi hanno va mantenuto anche se durante l'emergenza il GE adotta la separazione elettrica. Tale collegamento a terra infatti non è intenzionale (si veda in proposito questa risposta) per la separazione elettrica, ma funzionale alla sicurezza in condizioni normali.

Con la separazione elettrica si ha lo stesso grado di sicurezza dei contatti indiretti anche rispetto ai contatti diretti, sempre che l'estensione dell'impianto sia limitata in modo che le  correnti capacitive che attraversano il corpo umano in caso di contatto non siano pericolose. Questo non significa che si possano usare apparecchiature prive dell'isolamento principale perché la protezione sarebbe affidata unicamente all'isolamento verso terra che non è così affidabile da poter rinunciare all'isolamento principale. Senza contare che aumenterebbe il rischio rispetto ad un contatto bipolare contro il quale né la separazione elettrica, né alcun altro sistema possono proteggere.

Sistemi TT, TN, IT

Per i GE che alimentano impianti estesi si adotta uno dei  sistemi di distribuzione TN, TT od IT come per gli impianti alimentati da trasformatore, seguendo le stesse regole con alcune attenzioni particolari di seguito evidenziate.

Per i sistemi TT e TN  occorre collegare a terra un punto del sistema elettrico del GE. In genere, per i GE trifasi,  si collega a terra il centro stella dell'alternatore, se esso è accessibile. In caso contrario si collega a terra una fase. Nel primo caso la tensione verso terra del sistema è la stellata U₀ = U/1,73 se U è la tensione tra le fasi. Nel secondo caso la tensione verso terra è la concatenata, U. Per i GE monofasi si mette a terra un polo oppure, se reso accessibile il punto di mezzo.

Dimensionamento dei componenti del sistema 

Il conduttore che collega a terra il neutro, è un conduttore di protezione (PE) e la sua sezione è scelta in base alle regole per i PE. Che sono 2: la prima, convenzionale, è adatta a piccoli gruppi elettrogeni; la seconda a gruppi di maggiore potenza con cavi di sezione notevole. Secondo la la regola convenzionale, il PE ha una sezione uguale a quella dei conduttori di fase se quella di questi ultimi è minore di 16 mm², con un minimo di 2,5 mm² se il PE è meccanicamente protetto e di 4 mm² in caso contrario. Per sezioni maggiori dei conduttori di fase il PE ha sezione pari alla metà dei conduttori di fase. Il metodo di calcolo della sezione del PE si basa sull'energia passante o integrale di joule (Iquadrotì, brevemente). La sezione deve essere, (in mm² ):

• I :corrente che percorre il PE durante il guasto (valore efficace in A)
• t : tempo di intervento della protezione in secondi
• K : coefficiente che dipende dal tipo di conduttore e dalla posa:
  • K=115: rame, isolamento PVC
  • K=143: rame, isolamento EPR
  • K=228: rame nudo posato in luogo accessibile solo a personale autorizzato
  • K=159: rame nudo posato in luogo ordinario
  • K=138 rame nudo in luogo con pericolo di incendio.

La messa a terra va sempre fatta a monte della commutazione nel caso di un gruppo di emergenza. Il valore della resistenza di messa a terra del neutro R_N, nel caso si adotti il sistema TT  deve essere inferiore a

R_N = ( U₀ – U_L ) / I_dn

• U₀: tensione del sistema verso terra
• U_L: tensione limite di sicurezza (50 V ambienti ordinari; 25 V ambienti particolari)
• I_dn: corrente nominale di intervento della protezione differenziale.

Esempio: cantiere edile U_L=25 V; I_dn=1 A; R_N < 205 ohm;

Se il sistema è TN-S,  il guasto a terra di una fase che non determina un cortocircuito, quindi una corrente in grado di far intervenire le protezioni di massima corrente, perché ad esempio avviene verso un corpo metallico che ha rispetto a terra una resistenza R_A,  determina una tensione sul neutro, U_N , quindi su tutte le masse ad esso collegate, data dalla partizione della tensione del sistema verso terra tra la resistenza R_N e la resistenza R_A., quindi

U_N = R_N*U₀ / (R_N + R_A)

 Tale tensione deve essere inferiore a quella limite di sicurezza U_L ma, dipendendo dal valore di R_A, che può essere qualsiasi e non è noto a priori, è una condizione che non si può garantire con assoluta certezza. Come si vede dalla formula è bene che R_N sia di piccolo valore ma è fondamentale che R_A non sia dello stesso ordine di grandezza. Ad esempio se R_A = R_N, U_N = U₀ / 2, quindi se U₀ = 230 V la tensione è certamente pericolosa. La norma (CEI 64.8 413.1.3.7)  ipotizza per guasti di questo tipo, una R_A maggiore di 10 ohm, per cui si ritiene adatta una R_N inferiore a 2,8 ohm.

Se il guasto della fase avviene verso una massa elettrica od una massa estranea equipotenzializzata, esso è  un cortocircuito e gli interruttori di massima possono intervenire.

La protezione rispetto ai guasti a massa deve essere verificata come nei sistemi TN-S derivati da trasformatore. L'impedenza dell'anello di guasto Z_S deve cioè essere tale da dar luogo ad una corrente superiore alla corrente di intervento magnetico I_a della protezione di massima corrente adottata in un tempo massimo di 0.4 s se la tensione del sistema verso terra è ad esempio 230 V in ambienti normali. Quindi deve essere soddisfatta la

I_a <= U₀ / Zs

Il rispetto della condizione è più critico di quello di un impianto con trasformatore, in quanto l'impedenza interna dell'alternatore è più alta, quindi la corrente di guasto, a parità di tutte le altre condizioni (sezione e lunghezza dei conduttori di fase e di protezione), è minore. Occorre allora verificare che la corrente minima che si può avere in caso di guasto sia superiore alla corrente di intervento della protezione. La corrente di cortocircuito fase-PE da considerare in un  punto qualsiasi è la corrente transitoria I^'_k che  va calcolata con la formula

• R_F, X_F:resistenza e reattanza della fase
• R_PE, X_PE: resistenza e reattanza del conduttore di protezione. I valori di R ed X dei cavi si ricavano moltiplicando la lunghezza degli stessi per i rispettivi valori unitari forniti da tabelle dei costruttori, oppure in base alle indicazioni del rapporto CENELEC R064-003 per le resistenze ed alle tabelle  CEI UNEL 35023 per le reattanze. 
• X₀, X^'_d:  reattanza omopolare e transitoria dell'alternatore. Nei dati dell'alternatore i valori sono forniti in valori percentuali. Se x% è il valore percentuale, il valore da inserire nella formula è X = (x%/100)*U_n² /S_n con U_n ed S_n rispettivamente tensione e potenza nominale dell'alternatore.

Calcolata I^'_k nel punto considerato la si confronta con la corrente di intervento magnetico I_m dell'interruttore immediatamente a monte di quel punto. La condizione di sicurezza è rispettata se  I^'_k > I_m

Nel caso di un sistema IT se il GE alimenta ordinariamente l'impianto devono essere adottate tutte le prescrizioni relative a questo sistema di distribuzione. Quindi: controllo dell'isolamento e tutte le misure necessarie ad impedire il pericolo del secondo guasto a terra (limitazione  dell'impedenza dell'anello di guasto; controllo costante della corrente sul neutro; non inserire fusibili nei circuiti fase-neutro). Prescrizioni che non sono necessarie se il GE è adibito solo a funzionamento in emergenza, poiché si ritiene improbabile che durante il periodo limitato di funzionamento in tale situazione, si verifichi il doppio guasto a terra. In pratica l'impianto ha tutte le caratteristiche della separazione elettrica con la differenza dell'estensione, molto maggiore in questo caso.

Ricordiamo che nel sistema IT le masse sono messe a terra tramite una resistenza R_E dimensionata in modo che un primo guasto a massa  in seguito al quale si instaura una corrente capacitiva I_g,C dipendente dall'estensione dell'impianto e che si può ritenere in genere di qualche ampere, dia luogo ad una tensione sulle masse inferiore a quella limite di sicurezza U_L. Dunque

R_E <= U_L / I_g,C

Collegamento  GE- Quadro generale

Tra gli impianti alimentati con trasformatore e quelli alimentati con GE esiste una differenza significativa per quanto riguarda la protezione dai contatti indiretti con le masse eventualmente esistenti in questo collegamento. Se avviene un guasto verso massain tale tratto, si stabilisce sulle stesse masse una tensione pari alla caduta di tensione esistente sul conduttore di protezione che collega le masse al neutro messo a terra del generatore, quindi tanto più elevata quanto più distanti si è dal generatore. Nel caso di un impianto con trasformatore ai guasti monofase in BT si può far fronte con l'interruttore in media tensione tali tipi di guasto.  Nel caso del GE invece o si fa in modo che in tale collegamento non esistano masse, oppure si installa  immediatamente all'uscita del GE una protezione differenziale od una di massima corrente che soddisfi la condizione solita relativa all'anello di guasto.

Criteri di scelta del tipo di distribuzione

La scelta del sistema di distribuzione dipende dal tipo di impiego del GE: in isola od in parallelo, per emergenza o per servizio ordinario. La seguente tabella mostra le scelte nel caso di utilizzo del GE in emergenza in funzione del tipo di impianto ordinario.

Si osservi che se l'impianto è TT non conviene fare lo stesso per il GE in emergenza, perché si dovrebbe creare una terra indipendente per il neutro. Quindi si adotta il TN collegando il neutro allo stesso impianto di terra delle masse. L'adozione del TN tra l'altro è facilitata per la presenza dei differenziali, indispensabili nel TT, cosa che elimina il possibile inconveniente dovuto all'aumento dell'impedenza dell'anello di guasto per la maggiore impedenza interna del GE rispetto a quella del trasformatore. E' l'inconveniente maggiore nell'adozione del TN per un GE, come spiegato in precedenza. Se il sistema ordinario è TN, lo si manterrà anche con il GE, con l'avvertenza del controllo dell'impedenza dell'anello di guasto. Se il neutro è sezionabile si può però adottare il sistema IT che evita la verifica suddetta.

Se il GE è in isola nel funzionamento ordinario ed alimenta un impianto completo, non ci sono vincoli nella scelta del sistema. Se non ci sono ragioni particolari per adottare un sistema IT, che risulta impiantisticamente più complicato degli altri, in genere si preferisce adottare il TN con l'adozione eventuale di differenziali, nei circuiti in cui è maggiormente critico il valore dell'impedenza dell'anello di guasto. Lo stesso in pratica si può dire se alimenta in isola una parte di un impianto più vasto. Se quest'ultimo è TT si può adottare per il GE il TN; se invece è TN non c'è motivo di cambiarlo.

In definitiva per un GE in isola il sistema prevalente è il TN.

Se il GE lavora in parallelo alla rete si adotta il sistema della rete. Quindi TT se la rete è quella dell'Enel, TN se è quella derivante da una propria cabina di trasformazione.

Bibliografia

Gruppi Elettrogeni – Ed TNE