2 Parametri della corrente da fulmine

Transcript

1 2 Parameri della correne da 2.1 Scariche amosferiche e propagazione della correne da Ogni anno l'area della Repubblica Ialiana è mediamene colpia da olre un milione di fulmini. Per una superficie di km 2, queso significa una densià media di fulmini al suolo di ca. re scariche per km 2 ogni anno. L'effeiva densià dei fulmini dipende uavia in gran pare dalla conformazione geografica del erreno e può essere desuna, come primo orienameno, dai valori medi dei fulmini a erra conenui nella norma CEI Oggi in Ialia è possibile deerminare il puno di impao di un con una precisione dell'ordine di ca. 500 m grazie al sisema di rilevameno dei fulmini SIRF. A queso scopo, sul erriorio ialiano sono disribuie sedici sazioni di misurazione, sincronizzae una con l'alra araverso il segnale orario ad ala precisione del Global Posiioning Sysem (GPS). Quese sazioni di misurazione regisrano l'isane in cui l'onda eleromagneica della scarica del giunge in corrispondenza del rispeivo riceviore, e il puno di impao del viene calcolao in base alla differenza dei diversi empi di rilevameno dell'onda magneica regisrai dai vari riceviori ed alle consegueni differenze di duraa dell'onda magneica a parire dal puno di scarica del in corrispondenza dei vari riceviori. I dai così rilevai vengono archiviai cenralmene e messi a disposizione dell'uene organizzai in diversi pacchei. Uleriori informazioni su queso servizio possono essere reperie consulando il sio web Presupposo per la formazione dei fenomeni emporaleschi è il moo ascensionale delle masse d'aria calda con un'umidià sufficienemene elevaa. Queso moo può avvenire con modalià diverse. Nei cosiddei emporali di calore, il erreno si surriscalda localmene per via di un inenso irraggiameno solare, così gli srai d'aria più vicini al suolo si scaldano e salgono verso l'alo. Nel caso di emporali fronali, in seguio all'arrivo di un frone freddo, una massa di aria fredda si incunea soo l'aria calda e la obbliga a salire verso l'alo. Nei emporali orografici, invece, l'aria calda vicina al suolo viene sollevaa verso l'alo dalle correni cosree ad innalzarsi quando inconrano un rilievo. Alri faori fisici inensificano uleriormene la spina verso l'alo delle masse d'aria, formando canali di correni ascensionali con velocià vericali fino a 100 km/h che danno origine ai cumuli, densi ammassi di nubi ipicamene di 5-12 km di alezza e 5-10 km di diamero. Per via dei processi di separazione delle cariche elerosaiche, come ario e nebulizzazione, le gocce d'acqua e le paricelle di ghiaccio conenue nelle nubi si caricano elericamene. Nella pare ala della nube emporalesca si accumulano le paricelle con carica posiiva, nella pare bassa quelle con carica negaiva. Alla base della nube si forma inolre una piccola sacca di cariche posiive che deve la sua origine all'effeo corona, un fenomeno per cui aorno ai corpi appunii siuai a erra al di soo della nube (piane, per esempio) si accumulano delle cariche posiive che vengono poi rasporae verso l'alo dal veno. Se, per via della densià di carica spaziale presene, in una cella emporalesca si vengono a creare inensià di campo locali dell'ordine di numerose ceninaia di kv/m, si producono delle scariche guida che precedono la scarica del vero e proprio. I fulmini nube-nube provocano una compensazione della differenza di poenziale ra i cenri delle cariche posiive e quelli delle cariche negaive all'inerno delle nubi e non colpiscono direamene alcun oggeo al suolo. Quesi rappresenano uavia un pericolo per i sisemi elerici ed eleronici a causa dei campi eleromagneici impulsivi (LEMP) che essi irradiano e devono quindi essere ugualmene presi in considerazione. Figura Fulmine discendene (nube-erra) BLITZPLANER 15

2 Leader Leader Figura Meccanismo di scarica di un discendene negaivo ( nube-erra) I fulmini che colpiscono il erreno producono una compensazione della differenza di poenziale ra le cariche eleriche delle nubi e le cariche al suolo. In paricolare, si possono creare due ipi di fulmini: fulmini discendeni (fulmini nube-erra) fulmini ascendeni (fulmini erra-nube) Nel caso dei fulmini discendeni, la scarica elerica viene precedua da scariche guida diree verso il basso, cioè da nube a erra: queso ipo di si verifica per lo più su aree pianeggiani e in corrispondenza di cosruzioni basse. I fulmini nube-erra sono riconoscibili dalle ramificazioni diree verso erra (Figura ). Più frequenemene, si verificano fulmini discendeni negaivi, nei quali dalla nube emporalesca si spinge verso erra un canale di cariche negaive (scarica guida o leader) (Figura 2.1.2) che aumena con una velocià di circa 300 km/h a "passi" di 10 m per vola inervallai da pause di alcune decine di µs. Quando la scarica guida è vicina al erreno (da qualche ceninaio a poche decine di meri), il campo elerico aorno alle pari del suolo che più si rovano vicine alla scarica guida (come alberi, colmi dei ei) aumena in modo ale da superare la rigidià dielerica dell'aria, per cui in quesi puni pare una scarica verso l'alo che inconra la scarica guida e dà origine alla scarica principale. Figura Meccanismo di scarica di un discendene posiivo ( nube-erra) I fulmini discendeni posiivi possono invece avere origine da un accumulo di cariche posiive alla base della nube emporalesca (Figura 2.1.3). Per quano riguarda la polarià, si ha un 90% circa di fulmini negaivi conro un 10% di fulmini posiivi: quesa riparizione dipende dalla conformazione geografica del erreno. In corrispondenza di oggei al suolo esposi e di alezza considerevole (come pali di anenne radio, orri per elecomunicazioni, campanili di chiese) o in corrispondenza delle vee di monagne, si possono verificare fulmini ascendeni (fulmini erranube), riconoscibili dalle ramificazioni della scarica principale rivole verso l'alo (Figura 2.1.4). Nel caso di un ascendene l'elevaa inensià di Figura Fulmine ascendene (erra-nube) 16 BLITZPLANER

3 Leader Leader Figura Meccanismo di scarica di un ascendene negaivo ( erra-nube) Figura Meccanismo di scarica di un ascendene posiivo ( erra-nube) campo necessaria per dare origine ad una scarica guida o leader non viene raggiuna all'inerno della nube, ma è deerminaa dalla disorsione del campo elerico in corrispondenza dell'oggeo esposo e del conseguene aumeno di inensià di campo. A parire da queso puno al suolo, la scarica guida si spinge verso la nube porando con sé il suo accumulo di cariche eleriche. I fulmini ascendeni si verificano sia con polarià negaiva (Figura 2.1.5), sia con polarià posiiva (Figura 2.1.6). Poiché nei fulmini ascendeni le scariche guida si insaurano a parire da oggei al suolo molo isolai verso le nubi, gli oggei di noevole alezza possono essere ineressai più vole dalla scarica di un nel corso di un emporale. Per quano riguarda gli oggei colpii da un, i fulmini discendeni (nube-erra) comporano una solleciazione maggiore rispeo ai fulmini ascendeni (erra-nube). Alla base dei calcoli delle misure di proezione conro i fulmini vengono perano considerai i parameri dei fulmini discendeni. A seconda del ipo, ogni è composo da uno o più fulmini parziali. Si disinguono correni impulsive di duraa inferiore a 2 ms e correni di lunga duraa superiori a 2 ms. Alre caraerisiche disinive dei fulmini parziali sono la polarià (negaiva o posiiva) e la posizione emporale nell'ambio della scarica del (primo parziale, parziale susseguene o sovrapposo). Le combinazioni possibili di fulmini parziali sono illusrae nella figura per quano riguarda i fulmini discendeni e nella figura per i fulmini ascendeni. Le correni da compose da correni impulsive e da correni di lunga duraa sono correni impresse, cioè gli oggei colpii non eserciano alcun effeo di riorno sulle correni da. Nei percorsi delle correni da indicai nelle figure e vengono indicai quaro parameri di effeo significaivi per la ecnica della proezione conro i fulmini: ampiezza della correne da I; carica della correne da Q, composa dalla carica della correne impulsiva Q imp e dalla carica della correne di lunga duraa Q lungo ; energia specifica W/R della correne da ; ripidià di/d del frone d'onda della correne da. Nei capioli segueni verranno descrii gli effei dei singoli parameri e il modo in cui ali parameri influenzano il dimensionameno degli impiani di proezione conro i fulmini. BLITZPLANER 17

4 ±I ±I Primo colpo breve Colpo lungo Posiivo o negaivo Posiivo o negaivo -I I Colpi brevi sussegueni Negaivo Negaivo Figura Possibili componeni di un discendene ±I Colpi brevi sovrapposi Colpo breve ±I Primo colpo lungo Colpo lungo Posiivo o negaivo Posiivo o negaivo I I Colpi brevi sussegueni Negaivo Negaivo ±I Colpo lungo singolo Posiivo o negaivo Figura Possibili componeni di un ascendene 18 BLITZPLANER

5 2.2 Ampiezza della correne da Le correni da sono correni indipendeni dal carico, cioè una scarica del può essere consideraa come una fone di correne pressoché ideale. Se una correne elerica di queso ipo scorre araverso pari condurici, in base all'inensià della correne e all'impedenza della pare condurice araversaa dalla correne, si avrà una cadua di ensione sulla pare condurice sessa. Nel caso più semplice quesa condizione può essere descria con la legge di Ohm: Poenziale relaivo al puno di riferimeno r Disanza dal puno d impao U = I R Capaore Calaa Î Figura Disribuzione di poenziale in caso di abbaimeno del su un erreno omogeneo Impiano di erra con resisenza di erra R E Û Dispersore disane Correne impulsiva da Correne Î Tempo Figura Animali mori in seguio a folgorazione da ensione di passo Figura Aumeno di poenziale dell'impiano di messa a erra di un edificio rispeo al poenziale di riferimeno di erra araverso il valore di cresa della correne di fulminazione Se una correne si forma in un unico puno su una superficie condurice omogenea, si crea il cosiddeo gradiene di poenziale. Queso effeo si verifica anche in caso di in una zona di erra omogenea (Figura 2.2.1). Se si rovano degli esseri viveni (persone o animali) all'inerno del gradiene di poenziale, si forma una ensione di passo, che può avere come conseguenza una scossa elerica pericolosa (Figura 2.2.2). Più la conduivià del erreno è ala, più piao risulerà il gradiene di poenziale. Il rischio di pericolose ensioni di passo diminuisce conseguenemene. Se il colpisce un edificio, che è già provviso di impiano di proezione conro i fulmini, la correne da che si scarica araverso l'impiano di messa a erra dell'edificio provoca una cadua di ensione sulla resisenza R E dell'impiano di messa a erra dell'edificio (Figura 2.2.3). Finché ui gli elemeni conduori all'inerno dell'edificio che si possono occare così come ui gli elemeni conduori inrodoi dall'eserno nell'edificio vengono manenui allo sesso poenziale, non esise alcuna possibilià di pericolo per persone all'inerno dell'edificio. Perciò è necessario eseguire l'equipoenzializzazione di ue le pari conwww.dehn.i BLITZPLANER 19

6 Sazione di rasformazione I = 100 ka L1 L2 L3 PEN rovano nelle vicinanze di conduori araversai dalla correne da. La figura mosra delle possibili configurazioni di circuii di conduori, all'inerno dei quali possono essere indoe delle ensioni araverso le correni da. La ensione reangolare U indoa durane l'inervallo Δ in un circuio di conduore è: U = M Δi / Δ R B Disanza r 1000 kv R E = 10Ω Figura Messa in pericolo di impiani elerici araverso l'aumeno di poenziale dell'impiano di messa a erra durici che si possono occare, preseni all'inerno dell'edificio. Se queso viene rascurao, esise il rischio di pericolose ensioni di conao in caso di fulminazione. L'aumeno di poenziale dell'impiano di messa a erra causao dalla correne da può rappresenare un pericolo per gli impiani elerici (Figura 2.2.4). Nell'esempio illusrao, la erra d'esercizio della ree di alimenazione a bassa ensione si rova fuori dal gradiene di poenziale causao dalla correne da. In queso modo il poenziale della erra d'esercizio, in caso di fulminazione dell'edificio non è idenico al poenziale di erra dell'impiano uilizzaore all'inerno dell'edificio. Nell'esempio raffigurao, la differenza è di 1000 kv. Queso rappresena un pericolo per l'isolameno dell'impiano elerico e degli apparecchi elerici ad esso collegai. 2.3 Pendenza della correne da La pendenza dell'aumeno di correne da Δi/Δ, che divena effeiva durane l'inervallo d, deermina l'alezza delle ensioni indoe eleromagneicamene. Tali ensioni vengono indoe in ui i circuii di conduori aperi o chiusi, che si U E U E M Δi/Δ muua induanza del circuio pendenza dell'aumeno di correne da Come già descrio, le scariche dei fulmini sono compose da un cero numero di colpi. A seconda del momeno in cui si verificano, all'inerno di una scarica del si disinguono la prima correne impulsiva e le correni impulsive sussegueni. La differenza principale ra i due ipi di correne impulsiva è che nel guida, poiché è necessaria la creazione di un canale del, è presene una pendenza della correne da meno ripida che nel colpo susseguene, che invece rova un canale già compleamene conduore. Sruura s 3 Correne 10% Tensione 90% T 1 U 3 Î Calaa 2 s 1 s 2 100% Correne da Frone d'onda T 1 Î / T1 Tensione reangolare indoa 1 1 Cappio nella calaa con possibile disanza di innesco s 1 2 Spira formaa da calaa e conduore nell'insallazione con possibile disanza di innesco s 2 3 Spira di insallazione con possibile disanza di innesco s 3 Figura Tensione reangolare indoa in circuii araverso la ripidià Δi/Δ della correne da fulminazione 20 BLITZPLANER

7 M 2 (μh) a = 10 m 0.1 a = 3 m 0.01 a = 1 m a = 0,1 m a = 0,03 m a = 0,3 m a = 0,01 m s (m) Esempio di calcolo con una spira d insallazione (p. es. impiano d allarme) Meallo fuso Puna di capazione Correne Correne Correne da empo Colpo lungo empo U a a s Δ i Δ Dal diagramma risula per M 2 4,8 μh 1 U = 4,8 150 = 720 kv a s Δi Δ 10 m 3 m 150 ka μs (richiesa elevaa) Figura Conversione di energia nel puno di abbaimeno del araverso la carica della correne di fulminazione puni in cui la correne da soo forma di arco elerico prosegue olre un rao di isolameno. L'energia W rasformaa alla base dell'arco elerico risula essere il prodoo della carica Q e della cadua di ensione anodica/caodica U A,K, con valori micromerici (Figura 2.4.1). Il valore U A,K in media è di alcune decine di V ed è influenzao dal flusso e dalla forma della correne: Figura Esempio di calcolo per ensioni quadrae indoe in spire a forma quadraa Per la sima della massima ensione indoa in circuii di conduori viene perciò uilizzaa la pendenza di salia della correne da del susseguene. Un esempio di sima della ensione indoa in un circuio di conduore è raffigurao in figura Carica della correne da La carica Q della correne di fulminazione è composa dalla carica prodoa dalla correne impulsiva Q imp e dalla carica prodoa dalla correne di lunga duraa Q lungo. La carica Q = id della correne di fulminazione è deerminane per la conversione di energia direamene sul puno di abbaimeno di un e in ui gli alri Q U A,K W = Q U AK, carica della correne di fulminazione cadua di ensione anodica/caodica La carica della correne da provoca delle fusioni sui componeni del sisema di proezione conro i fulmini che vengono colpii direamene dal. Ma anche per la solleciazione degli spineromeri di sezionameno e di disposiivi di proezione da sovraensioni basai su ecnologia spineromerica la carica è deerminane. Receni ricerche hanno dimosrao che soprauo la carica prolungaa Q lungo della correne di lunga duraa a causa dell'azione prolungaa dell'arco elerico è in grado di fondere o fare evaporare grossi volumi di maeriale. Un confrono degli effei prodoi dalla carica impulsiva Q imp e dalla carica di lunga duraa Q lungo è raffigurao nelle figure e BLITZPLANER 21

8 W 2 / R = i d Acciaio zincao 100 ka (10/350 µs) Rame 100 ka (10/350 µs) Figura Effei dell'arco elerico della correne impulsiva da su superficie meallica 10,00 mm L'energia specifica viene perciò spesso chiamaa impulso quadrao di correne. Tale energia è deerminane per il riscaldameno dei conduori araversai dalla correne impulsiva da, così come per l'effeo della forza eserciaa sui conduori araversai dalla correne impulsiva da (Figura 2.5.1). Per l'energia W converia in un conduore con una resisenza R vale: 2 W = R i d = R W / R R resisenza in correne coninua del conduore (dipendene dalla emperaura) W/R energia specifica Alluminio d = 0,5 mm; 200 A, 350 ms 10,00 mm Acciaio inossidabile d = 0,5 mm; 200 A, 90 ms 10,00 mm Rame d = 0,5 mm; 200 A, 180 ms 10,00 mm Acciaio d = 0,5 mm; 200 A, 100 ms Energia specifica W/R 10,00 mm Acciaio zincao d = 0,5 mm; 200 A, 100 ms Figura Perforazione di lamiere prodoe dall'azione di archi elerici di correne a lunga duraa 2.5 Energia specifica L'energia specifica W/R di una correne impulsiva è l'energia che la correne impulsiva produce su una resisenza di 1Ω. Quesa conversione di energia è daa dall'inegrale del quadrao della correne impulsiva sul empo per la duraa della correne impulsiva: Forza sui conduori paralleli Riscaldameno Forza Energia specifica Correne di Tempo Figura Effei del riscaldameno e della forza prodoi dall energia specifica della correne da 22 BLITZPLANER Il calcolo del riscaldameno di conduori araversai da correne di può divenare necessario quando durane la progeazione e l'insallazione di sisemi di proezione conro i fulmini devono essere considerai i rischi relaivi alla proezione delle persone, al pericolo di incendio e di esplosione. Nel calcolo si pare dal presupposo che l'energia ermica oale viene creaa dalla resisenza ohmica dei componeni del sisema di prowww.dehn.i

9 Sezione [mm 2 ] d F 2, Alluminio W/R [MJ/Ω] 5, F I 2, Acciaio W/R [MJ/Ω] 5, i i i i Maeriale Tabella Rame W/R [MJ/Ω] Acciaio inossidabile W/R [MJ/Ω] , , , , Aumeno della emperaura ΔT in K di diversi maeriali conduori ezione conro i fulmini. Inolre si presuppone che, a causa della brevià del processo, non sarà possibile alcuno scambio di calore con l'ambiene circosane. Nella abella sono elencai gli aumeni di emperaura di diversi maeriali impiegai per la proezione conro i fulmini e le loro sezioni in funzione dell'energia specifica. Le forze elerodinamiche F generae da una correne i in un conduore con un percorso lungo e parallelo di lunghezza l e disanza d (Figura 2.5.2) si possono approssimaivamene calcolare con l'equazione seguene: 2 F () = µ / 2π i() l / d 0 F() forza elerodinamica i correne µ 0 cosane di campo magneico in aria (4π 10-7 H/m) l lunghezza del conduore d disanza ra i conduori posizionai in parallelo Figura Effeo della forza elerodinamica ra conduori paralleli L'effeo della forza sui due conduori è araivo in caso di direzione di correne uguale, menre in caso di direzione di correne opposa, è repulsivo. Tale effeo è direamene proporzionale al prodoo delle correni nei conduori ed è inversamene proporzionale alla disanza ra i conduori. Ma anche nel caso di un solo conduore piegao si verifica un effeo di forza sul conduore sesso. In ale caso la forza sarà proporzionale al quadrao della correne nel conduore piegao. L'energia specifica della correne impulsiva deermina così la solleciazione che causa una deformazione reversibile o irreversibile dei componeni e del sisema di proezione conro i fulmini. Quesi effei vengono presi in considerazione durane gli svolgimeni delle prove previse dalle norme di prodoo relaive ai requisii degli elemeni di connessione per sisemi di proezione conro i fulmini. 2.6 Assegnazione di parameri della correne da ai livelli di proezione Per poer definire il come una grandezza perurbarice, vengono fissai dei livelli di proezione da I a IV. Per ogni livello di proezione è necessario definire una serie di: valori massimi (crieri di dimensionameno uilizzai per imposare i componeni della proezione conro i fulmini in modo che soddisfino i requisii richiesi) e valori minimi (crieri di inerceazione necessari per poer deerminare le zone proee con una sufficiene sicurezza in caso di abbaimeno di un (raggio della sfera roolane) BLITZPLANER 23

10 Valori massimi (crieri di dimensionameno) Valori minimi (crieri di inerceazione) Livello di proezione Massimo valore della correne di picco Probabilià che i parameri della correne da effeiva siano inferiore ai valori massimi della correne da Livello di proezione Minimo valore della correne di picco Probabilià che i parameri della correne da effeiva siano superiori ai valori minimi della correne da Raggio della sfera roolane I 200 ka 99 % I 3 ka 99 % 20 m II 150 ka 98 % II 5 ka 97 % 30 m III 100 ka 97 % III 10 ka 91 % 45 m IV Tabella ka 97 % Valori limie dei parameri di proezione conro i fulmini e rispeive probabilià Le abelle e indicano l'assegnazione dei livelli di proezione ai valori massimi e minimi dei parameri di proezione conro i fulmini. IV Tabella ka 84 % 60 m Valori limie dei parameri di proezione conro i fulmini e rispeive probabilià 24 BLITZPLANER