Chiarimenti su messa a terra in un pannello di controllo

[Stefano Prato]

Salve a tutti,

Sto cercando di progettare un pannello di controllo per un progetto ed, a causa di una confusione nella divulgazione online che sembrerebbe sussistere non soltanto attraverso i miei occhi di ignorante, sto avendo difficolta nel capire quale sia il giusto approccio per strutturare la messa a terra all'interno della scatola elettrica. 
Cercherò di esporre schematicamente cosa ho compreso e i miei dubbi.
1) Qualsiasi fonte evidenzia come la possibile presenza di un "ground loop" possa essere problematica per molteplici motivi. Tale fenomeno si presenta quando nel collegamento di terra circola corrente.

2) Molti affermano che per evitare questo problema un dispositivo andrebbe connesso a terra attraverso una sola connessione, ed ogni dispositivo dovrebbe essere connesso allo stesso riferimento. 2 Bis) Inoltre tutti affermano sia importante assicurarsi che ogni connessione di terra sia collegata direttamente al riferimento (no daisy chain), in modo tale che sostanzialmente ogni cavo di terra rompendosi disconnetta da terra al più un dispositivo (e nel caso valga 2 sarà esattamente un dispositivo dato che non ci saranno ulteriori connessioni a terra).

 

2!) Altri affermano che un dispositivo può essere collegato a terra attraverso più punti fintanto che si garantisce questi abbiano lo stesso potenziale. Alcuni esempi di questa pratica sono anche evidenti: 
Prendiamo una guida DIN di materiale metallico. Essa sarà avvitata sul pannello metallico e questo sarà collegato a terra come usualmente avviene. La sola connessione della barra tramite viti metalliche garantirà che la guida sia messa a terra. Ciononostante spesso si inseriscono sulla barra alcuni morsetti di terra (per scopi vari) che contengono una parte metallica che all'installazione metterà in continuità la guida e il cavo che verrà inerito nel morsetto. Tale cavo normalmente è un cavo di messa a terra. Dunque la barra di fatto sarà connessa a terra attraverso due connessioni di cui una, salvo utilizzo di cavi enormi, con maggior superficie di contatto.

Il metodo 2 e 2! sembrano ai miei occhi mutualmente esclusivi; nell'esempio proposto potrei scollegare il cavo di messa a terra dal morsetto o alternativamente svitare la guida dalla piastra e in entrambi i casi questa sarebbe ancora messa a terra. Il metodo 2! sembrerebbe poter essere fonte di ground loop..

La soluzione 2 sembra più sicura nel prevenire loop ma non ha alcune ridondanza di connessione a terra.

Alcuni manuali che ho consultato sembrano favorire la 2!, dividendo inoltre il tipo di connessione terra in base alla frequenza di protezione a seconda della superficie di contatto. Allego immagini da manuale Siemens.

Nello schema in esempio pare evidente sia stato usato l'approccio 2! e ad occhio mi sembra siano presenti quei circuiti segnalati come potenziale causa di ground loop.

Ad esempio il motore: è collegato a terra tramite il cavo nero, è in continuità con lo schermo del cavo di alimentazione ed inoltre scatola di ingranaggi e macchina posta in rotazione sono collegati con daisy chain. Inoltre scollegando il cavo di terra dal motore questo sarebbe in ogni caso messo a terra tramite la scatola di ingranaggi attraverso il cavo rosso chiaro. Trasformatore, controller e l'azionamento del motore sembrerebbero essere collegato in maniera ridondante a terra su suppongo uno stesso terminale; eppure alcuni sostenitori dell'approccio 2 indicano questa scelta come pericolosa per la formazione di loop. Ad esempio nel controller numerando i pin 1 2 3 da sinistra a destra se scollegassi 2 e 3 il controller sarebbe ancora messo a terra ma tramite daisy chain con il modulo motore sulla destra.

Ho provato a consultare la norma IEC 60204-1, di cui non invio immagini poiché ne sono in possesso tramite licenza universitaria. In suddetta norma il termine ground loop non è nemmeno presente e in generale non vengono date indicazioni circa questo tema.

Oltre a questa questione ho altri dubbi circa la messa a terra per i cavi schermati in cui sembra quasi la questione circa in quanti punti andrebbe messo a terra lo schermo sia una diatriba tra tifosi di una o dell'altra fazione; e come quasi sempre in questi casi la risposta più saggia sembrerebbe essere "dipende" . Mi sembra però inopportuna mischiare gli argomenti.

 

Una soluzione che mi è venuta in mente è che la questione ground loop interessi i segnali e appunto la questione di come mettere a terra lo schermo, mentre per la messa a terra per fini di sicurezza questo non importi. Eppure alcune fonti escludono questa mia ipotesi e intendono il ground loop come fenomeno che interessa sia gli schermi dei cavi di segnale che le varie parti metalliche esposte che si mettono a terra per questioni di sicurezza.

Qual è dunque l'approccio consigliato a livello normativo?

Grazie.

 

 

 

[Livio Orsini]

16 minuti fa, Stefano Prato scrisse:

Qual è dunque l'approccio consigliato a livello normativo?

 

Per quanto concerne i segnali puoi fare riferimento alla normativa EMC

 

Per mia esperienza diretta, maturata come responsabile di uffcio tecnico per progettazione di impianti di automazione industriale, posso darti alcune linee guida, realtive alle schermature, per quadri e pannelli.

 

Da crica 30 anni le piastre di fondo dei quadri sono tutte di lamiare zincata e non verniciata; tutte le pareti e le porte degli armadi hanno un collegamento di massa tramite appositi dadi e viti. L'insieme dell'armadio, pareti e piastre, è un'unica massa equipotenziale; questa massa sarà messa a terra tramite conduttore di sezione adeguata.

All'interno del quadro gli schermi dei cavi schermati sono collegati alla partenza alla barra di terra tramite appositi collarini ad "omega" o anelli.

Le prescrizioni EMC raccomandano di collegare gli schermi in più punti alla piastra di fondo, sempre tramite appositi collarini.

Il cavo schermato dovrebbe essere senza soluzione di continuità sino al sensore/utilizzatore in campo.

Per ottimizzare l'efficienza dello schermo, questo deve essere messo a terra sia alla partenza, che all'arrivo se, e solo se, i 2 punti di terra sono rigorosamente isopotenziali. Se non vi è certezza di questa isopotenzialità è preferibile collegare lo schermo solo alla partenza; l'efficienza sarà diminuita ma si eviterà che nello schermo possa circolare corrente.

Nel caso di cavo schermato per alimentazione di motori da inverter, oltre a quanto scritto sopra si raccomanda di avere il cavo di PE (giallo verde) o all'esterno dello schermo, oppure di usare un cavo specifico che prevede 2 possibilità:

1. unico conduttore di PE centrale, con la terna di conduttori di potenza avvolti ad elica attorno ad esso.
2. 3 conduttori di PE ognuno twistato con un conduttore di potenza; le 3 coppie saranno poi avvolte tra loro in modo elicoidale

[Stefano Prato]

Grazie per la risposta.

Mi sembra di capire che quindi, secondo la sua esperienza sia accettabile collegare i vari componenti del pannello a terra sia tramite apposito morsetto che con il contatto che la scocca metallica, ad esempio presente in un inverter nella parete posteriore, andrà a fare con la piastra di fondo del quadro.

Per quanto riguarda i cavi schermati vi è un passaggio che intuitivamente mi sembrerebbe chiaro ma per il quale vorrei conferma. 
Ho visto online dell'esistenza di alcuni pressacavo schermati con il quale si è soliti terminare il cavo di un inverter a terra tramite la scatola metallica ed il pressacavo stesso con collegamento a 360 gradi sullo schermo. Questi pressacavo vengono però in genere utilizzati in casi in cui il cavo una volta dentro la scatola viene lasciato privo di schermo, andando dunque a collegare lo schermo a terra tramite la scatola metallica piuttosto che sul morsetto dell'inverter come consigliato dai più. Alcuni produttori quali Siemens, per gli inverter e i motori, e Belden, per i cavi, tuttavia consigliano di far entrare il cavo nella scatola tramite pressacavo isolato mantenendo integro lo schermo fino all'arrivo all'inverter (figura sotto). Questo è quello che anche lei conferma quando dice che il cavo schermato dovrebbe essere senza soluzione di continuità.

Questa ultima soluzione mi sembra più ragionevole intuitivamente, oltre che più economica. Tuttavia ho visto dell'esistenza di pressacavi schermati con possibilità di proseguire all'interno della scatola con il cavo ancora schermato, ed isolato, andando dunque a costituire un sistema con tre punti di messa a terra dello schermo (motore, ingresso scatola, inverter). 
A questo punto è corretto supporre che fintanto tutto sia isopotenziale sia possibile collegare lo schermo, pur costituendo un maggior rischio, anche in tre punti diversi? Vi è un vantaggio nello schermare all'ingresso del pannello oltre che ai due estremi? Ad esempio in casi in cui la parte che deve proseguire dentro la scatola sia particolarmente lunga. Altrimenti non mi spiego l'utilità di questi pressacavo schermati (specie di quelli che richiedono di proseguire, a seguito del pressacavo, con cavo non schermato), dato che di norma sarebbe più corretto non interrompere fino al punto terminale. Eppure sembrano assai diffusi.

Nella mia applicazione, per altri collegamenti non relativi ad inverter, sarebbe assai utile utilizzare dei connettori circolare piuttosto che dei pressacavo, quindi di fatto creare una discontinuità.
Supponendo l'utilizzo di connettori schermati sarebbe possibile mettere lo schermo in continuità tra la parte dentro la scatola e la parte fuori tramite il connettore stesso e quindi anche collegando a terra tramite la scocca metallica della scatola? In sostanza una configurazione simile alla figura sotto dove però la piastra usata per mettere in continuità lo schermo, che è stato interrotto, è il pannello della scatola metallica ed è inoltre collegata a terra. Sarebbe dunque, scusate la ridondanza ma spero sia utile per la chiarezza, come l'immagine sotto ma con la piastra collegata a terra. Oppure sarebbe forse meglio in qualche modo isolare da terra la parte di parete che andrà a mettere in continuità lo schermo (emulando quindi completamente la figura sotto)?

 

 

Grazie.

[Livio Orsini]

3 ore fa, Stefano Prato scrisse:

ad esempio presente in un inverter nella parete posteriore, andrà a fare con la piastra di fondo del quadro.

 

No.

Proprio nel caso dell'inverter sono previsti gli apposti morsetti di terra. Inoltre è consigliabile, ma io direi obbligatorio, seguire le prescrizioni di installazione che il costruttore riporta sul manuale di installazione, uso e manutenzione.

 

3 ore fa, Stefano Prato scrisse:

Questi pressacavo vengono però in genere utilizzati in casi in cui il cavo una volta dentro la scatola viene lasciato privo di schermo, andando dunque a collegare lo schermo a terra tramite la scatola

 

No, non è la metodologia corretta.

Si deve spellare la guaina isolante esterna, in modo da mettere a nudo lo schermo. Su questo anello senza guaina si va e posizionare il pressacavo che verrà avvitato sulla barra di terra o sulla piastra di fondo, messa a terra.

I conduttori di potenza (ma anche di segnale, in casi di schermatura di un cavo di segnale) devono fuori uscire dallo schermo solo lo stretto necessario per poter essere collegati ai morsetti.

Molti cablatori hanno la pessima abitudine di lasciare i conduttori al di fuori dallo schermo per alcuni cm. Questo è dannosissimo, percho ogni conduttore lavora come un'antenna per i disturbi irradiati.

3 ore fa, Stefano Prato scrisse:

A questo punto è corretto supporre che fintanto tutto sia isopotenziale sia possibile collegare lo schermo, pur costituendo un maggior rischio, anche in tre punti diversi?

 

Non solo è possibile, ma è anche raccomandato nei percorsi interni all'armadio. Le prescrizioni EMC raccomandano di ammarare lo schermo in più punti sulla piastra di fondo. Anche perchè in questo caso non esiste pericolo di etero potenzialità delle masse.

 

3 ore fa, Stefano Prato scrisse:

specie di quelli che richiedono di proseguire, a seguito del pressacavo, con cavo non schermato)

 

Questo tipo di pressacavi non deve essere usato.

 

3 ore fa, Stefano Prato scrisse:

Questo è quello che anche lei conferma quando dice che il cavo schermato dovrebbe essere senza soluzione di continuità.

 

Esatto.

Nel caso si abbia la certezza dell'isopotenzialità della massa della scatola con quella del quadro, è preferibile usare la metodologia che ho illustrato all'inizio dei questo messaggio.

 

Bisogna sempre pensare che un cavo non schermato raccoglie disturbi, che ogni interruzione dello schermo è un punto di ingresso per i disturbi.

Quindi la soluzione ideale è usare cavi in tratta unica senza giunte ne passaggi attraverso morsettiere di appoggio.

Le prescrizioni EMC sembrano inutili pedanterie, invece sono la summa di esperienze pratiche e studi teorici.

 

La tragedia è che spesso, inizialmente, anche impianti non eseguiti secondo la regola dell'arte sembrano funzionare in modo corretto, salvo poi avere inconvenienti inspigabili che accadono in modo molto casuale poi, improvvisamente, può anche capitare che questi inconvenineti si presentino in modo continuativo bloccando l'impianto.

 

Oggi la maggior parte degli impianti è conforme a queste direttive però, solo 25 anni fa quando richiedevo questo tipo di cablaggio spesso mi sentivo rispondere: "Non lo abbiamo ami fatto e le macchine hanno sempre funzionato", senza considerare che una macchina con tecnologia degli anni 70 era molto differente.

 

 

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