Valutazione dei livelli di induzione magnetica prodotti da cabina elettrica MT/BT: Brico

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1 Pag. 1 di 19 Valutazione dei livelli di induzione magnetica prodotti da cabina elettrica MT/BT: Brico

2 Pag. 2 di 19 Indice 1. Introduzione Ipotesi generali di calcolo e modello Analisi del caso in esame Fascia di rispetto In assenza di schermatura Conclusioni Allegato 1 - Validazione programma di calcolo... 18

3 Pag. 3 di Introduzione La presente relazione si riferisce alla valutazione dell induzione magnetica generata da infrastrutture elettriche associate ad una cabina elettrica di trasformazione MT/BT realizzata secondo indicazioni di massima di layout fornite dal Committente e da indicazioni installative fornite nel presente documento. Lo studio condotto ha lo scopo di verificare le condizioni che possano permettere la: dichiarazione di conformità alle prescrizioni di cui al D.P.C.M. del in materia di fissazione dei limiti di esposizione, dei valori di attenzione e degli obiettivi di qualità per la protezione della popolazione dalle esposizioni ai campi elettrici e magnetici alla frequenza di (50 Hz) generati dagli elettrodotti. Sebbene il D.P.C.M. del si riferisce alla popolazione e non ai lavoratori occorre precisare che la fissazione dei limiti di 10 e 3 µt (nel caso di istallazioni precedenti e successive alla pubblicazione della legge quadro del 2001) si pone l obiettivo di ridurre i rischi da esposizioni prolungate e quindi proteggere dai cosiddetti effetti a lungo termine mentre il limite per la protezione dei lavoratori di 500 µt ha la funzione di proteggere da effetti accertati a breve termine (Decreto Legislativo 9/04/2008 n. 81 in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro). Assumere, per il lavoratore che permane per più di 4 ore in un luogo ove sono presenti sorgenti di campi magnetici, gli stessi limiti previsti per la popolazione, rappresenta una condizione conservativa. Tale approccio conservativo è stato inoltre evidenziato in un documento tecnico redatto dall Ispesl (10 Luglio 2008) in cui viene precisato che le esposizioni di carattere professionale (a cui far rifermento per il limite di 500 µt) sono quelle strettamente correlate e necessarie alle finalità del processo produttivo. Il documento Ispesl prosegue affermando che le esposizioni indebite a sorgenti non correlate con la specifica attività dei lavoratori devono essere eliminate o ricondotte entro le restrizioni previste dalla normativa vigente per la tutela della salute della popolazione (10 o 3 µt).

4 Pag. 4 di 19 L attività di studio e la presente relazione si sviluppa nelle seguenti fasi 1) Analisi di impatto ambientale: dai dati forniti relativi alle future infrastrutture elettriche che verranno installate, mediante un software di calcolo tridimensionale (MAGIC 1.0) è possibile determinare i livelli di induzione magnetica nelle aree sensibili. Il software è stato ampiamente utilizzato e testato in numerosi casi reali da parte di tecnici esperti del settore (Politecnico di Torino). I risultati hanno anche l obiettivo di individuare i livelli di induzione magnetica al fine di un progetto e dimensionamento delle opere di mitigazione. La valutazione di impatto ambientale richiede siano noti tutti i dati nominali delle apparecchiature e della loro localizzazione all interno della cabina (posizione trasformatori, passaggio linee, etc.). 2) Progettazione del sistema di schermatura: sulla base dei risultati ottenuti dalla valutazione di impatto ambientale si valuta la necessità di abbattere i livelli di induzione magnetica mediante l indicazione di soluzioni impiantistiche alternative (es. posizionamento opportuno dei trafo, diverso passaggio delle condutture, etc.) e mediante l uso di sistemi di schermatura magnetica. L obiettivo richiesto è stato posto pari al valore di 3 µt a distanza di 1 m dai muri perimetrali della cabina. Considerazioni sulla metodologia di valutazione dei livelli di induzione magnetica e della fascia di rispetto. Occorre sottolineare che la valutazione della DPA (distanza di prima approssimazione), secondo la procedura indicata dall art del decreto 29/05/2008, (in cui è stata approvata la metodologia di calcolo per la procedura di misura e valutazione dell induzione magnetica generata da elettrodotti nel rispetto dei principi della Legge Quadro 36/01 e del D.P.C.M. 8 luglio 2003), non risulta applicabile in quanto fa riferimento a cabine con layout, composizione e taglia dei dispositivi diversi dal caso in esame.

5 Pag. 5 di 19 La complessità della sorgente in esame richiede una valutazione più accurata che tenga conto principalmente della tridimensionalità delle singole sorgenti e l effetto prodotto dalla combinazione delle stesse (sovrapposizione degli effetti). Esiste però una problematica, come indicato nell art (Calcolo delle fasce di rispetto per linee elettriche) del decreto del 29/05/2008, che riguarda i modelli tridimensionali i quali non sono ancora standardizzati. Tuttavia un software in cui i modelli soddisfino ai seguenti requisiti indicati nel decreto: i modelli utilizzati devono essere descritti in termini di algoritmi implementati, condizioni al contorno e approssimazioni attuate. Essi devono essere validati attraverso misure o per confronto con modelli che abbiano subito analogo processo di verifica. La documentazione esplicativa e comprovante i criteri di cui sopra deve essere resa disponibile alle autorità competenti ai fini dei controlli, può essere ritenuto idoneo allo scopo e, a tal fine, viene allegato alla presente relazione uno studio di confronto tra simulazione e misure. Sulla base dei risultati ottenuti dall analisi dell induzione magnetica nello spazio circostante la cabina, nella determinazione della fascia di rispetto e della distanza di prima approssimazione, si è quindi adottato il seguente criterio: Fascia di rispetto (FR): lunghezza espressa in metri dalla parete della cabina elettrica contenente le sorgenti di campo magnetico tale per cui tutti i punti a distanza dalla parete maggiore della FR sono caratterizzati da un livello di induzione magnetica inferiore a 3 µt. A titolo di esempio, in Fig. 1 è riportata in nero la pianta di una possibile cabina elettrica ed in rosso è riportata la linea isolivello associata al valore di induzione pari a 3 µt. Per semplicità la FR può quindi essere approssimata con una polilinea formata da segmenti rettilinei paralleli alle pareti della cabina elettrica che contiene la linea isolivello a 3 µt (linea nera tratteggiata). Distanza di Prima Approssimazione (DPA): Dato che la definizione di DPA richiede che sia definito un unica distanza per tutta la cabina, si è adottato tale criterio. Pertanto considerando il punto della linea a 3 µt alla distanza massima dalla parete della cabina e, estendendo tale limite all intero perimetro, si ottiene la polilinea rappresentata in blu (Fig. 1). In genere il valore della DPA viene approssimata al mezzo metro in eccesso.

6 Pag. 6 di 19 Ai fini della garanzia della protezione dai campi magnetici la FR rappresenta la condizione sufficiente ad assicurare un valore di induzione minore di 3 µt. Tale definizione è adottabile sia per i punti in pianta che per i punti in quota. DPA 3 µt Fig. 1 Rappresentazione grafica della Fascia di Rispetto (linea nera tratteggiata), DPA (linea blu) La condizione di funzionamento utilizzata nella modellazione è quella, cautelativa, in cui i componenti trasferiscono la loro potenza nominale. Si evidenzia che i livelli di campo elettrico non necessitano di valutazioni particolari in quanto trattandosi di impianti in media e bassa tensione i livelli di campo sono abbondantemente inferiori ai limiti normativi, perciò l attenzione è posta alla valutazione dell induzione magnetica.

7 Pag. 7 di Ipotesi generali di calcolo e modello Le sorgenti di campo presenti all interno della cabina elettrica sono di vario tipo e possono essere così riassunti: 1) Trasformatore/i MT/BT 2) Conduttori BT a. cavi BT di collegamento dal lato BT del/i trasformatore/i e il/i quadro/i BT; b. cavi BT di collegamento da il/i quadro/i BT di cabina a contatore/i di energia 3) Conduttori MT a. cavi MT in ingresso alla cabina secondaria provenienti dalla rete di distribuzione cittadina; b. cavi MT di il collegamento dal/i quadro/i MT e la/e cella/e di ricevimento degli utilizzatori privati in MT; c. cavi MT di il collegamento fra il/i quadro/i MT e il lato/i MT dei trasformatori. 4) Quadri elettrici BT: eventuale cassetta di smistamento e interruttori linee in uscita BT 5) Quadri elettrici MT I dati necessari al fine di considerare le sorgenti sopra indicate risultano essere: 1) pianta cabina con lay-out apparati + sezioni verticali in corrispondenza dei quadri MT e BT e del trasformatore 2) Tipologia (es. olio o resina) e potenza del trasformatore, tensione lato MT e BT 3) Tipologia cavi MT (es. se del tipo unipolare o a elica cordata) e disposizione spaziale (percorso) 4) Tipologia cavi BT (es. n. di conduttori per fase) e percorso (dei cavi dall uscita del trasformatore, dei cavi di collegamento ai dai quadri BT di cabina ed eventualmente ai contatori di energia). 5) Presenza di tratti in blindosbarra e tipologia di blindosbarra (es. ventilato, compatto, etc.). 6) Layout dei quadri BT e MT (es. posizionamento delle sbarre di collegamento, distanza fra le fasi, etc.).

8 Pag. 8 di 19 Il modello che simula il comportamento elettrico e magnetico della cabine finalizzato alla valutazione dell impatto elettrico e magnetico si basa sulle seguenti ipotesi: tridimensionalità delle sorgenti: in particolare del profilo dei conduttori elettrici presenti all interno della cabina. Il calcolo del campo viene effettuato mediante integrazione numerica della legge di Biot e Savant. Nel caso di condotti sbarra si tiene conto dell effetto schermante dell involucro; modello dei campi dispersi dai trasformatori (se in resina) mediante modello tridimensionale che simula gli avvolgimenti primari e secondari attraverso solenoidi definiti attraverso le caratteristiche geometriche e fisiche funzione dei dati di targa del trasformatore 1 ; sovrapposizione delle sorgenti: considerati funzionanti nelle normali condizioni di esercizio (correnti nominali); viene considerato il conduttore di neutro nel caso in cui questo passi lontano dalle fasi e sia nota la condizione di squilibrio del sistema trifase ad esso associato (tale squilibrio non viene generalmente considerato nella valutazione di impatto ambientale); per tutti i componenti delle cabine MT/BT si considerano trascurabili i campi elettrici; non vengono considerate nelle aree di valutazione dell induzione magnetica l effetto distorcente prodotto da grossi corpi ferromagnetici se non in casi particolari le linee MT non vengono considerate in quanto, essendo realizzate mediante cavo elicordato, apportano contributo trascurabile rispetto alle linee BT. In conclusione il contributo ai livelli di induzione dei diversi componenti viene ricondotto al calcolo tridimensionale di tratti di conduttore o di solenoidi che seguono i diversi profili delle diverse connessioni all interro della cabina. La procedura di calcolo si basa sull integrazione della legge di Biot-Savart, che consente di determinare il valore del campo e dell induzione magnetica in ogni punto dello spazio a partire dalla conoscenza della geometria delle linee elettriche e delle sorgenti di campo 1 A. Canova, L. Giaccone, M. Manca, R. Turri, P. Casagrande, Simplified power transformer models for environmental magnetic impact analysis, 2 Int. Conf. on EMF-ELF, Paris, Marzo 2011.

9 Pag. 9 di 19 (intensità e fase delle correnti elettriche). In particolare, un conduttore percorso da una corrente pari ad i produce nello spazio circostante considerato omogeneo (aria) un induzione magnetica B dato dall integrale: B Idl R = µ 0 3 4πR I dl R B P in cui: dl è un vettore di lunghezza infinitesima, tangente al conduttore ed orientato nel verso della corrente; R è un vettore distanza tra il punto sul conduttore ed il punto P in cui si vuole determinare il campo; µ 0 è la permeabilità assoluta (assunta per l aria) pari a 4π10-7 ; L integrazione riportata nella formula viene effettuata per via numerica sommando vettorialmente i contributi che si ottengono suddividendo il conduttore in numero finito di elementi discreti: ogni conduttore è descritto geometricamente mediante l equazione della curva che lo rappresenta. L integrale viene effettuato per ogni conduttore del sistema ed i contributi vengono sommati. Il metodo risulta quindi del tutto generale sia per il numero sia per la tipologia dei conduttori. E opportuno ricordare che, trattando correnti sinusoidali ed adottando il Metodo Simbolico, il campo risultante è un vettore le cui componenti spaziali hanno una intensità definita mediante un numero complesso. Le considerazioni teoriche descritte sono implementate nel software di calcolo tridimensionale (MAGIC utilizzato per lo studio in esame.

10 Pag. 10 di Analisi del caso in esame Nel caso particolare esaminato i principali componenti esistenti all interno della cabina che sono stati considerati nella valutazione dell impatto ambientale della cabina sono rispettivamente: 1) Cavi MT in ingresso Sezione 185 mm 2 Cordato ad elica In=280 A Trattandosi di cavo elicordato tale sorgente risulta essere trascurabile dal punto di vista della generazione dell induzione magnetica (valore inferiore a 0.1 µt a 1m dal cavo). 2) Quadri MT Dalle indicazioni tecniche fornite dal Committente la principale sorgente è rappresentata dalle sbarre principali di distribuzione del quadro poste a circa 1.7 m dalla base del quadro, lunghe 2.8 m (conservativamente poste pari alla lunghezza totale del quadro) e distanziate di 0.3 m. La corrente di sbarra può essere assunta in modo conservativo pari alla corrente di MT del trasformatore (circa 15 A) 3) Trasformatori MT/BT All interno della cabina sono presenti due trasformatori 15kV/400V con una potenza nominale di 500 kva, a cui corrisponde una corrente secondaria lato BT pari a 722 A. Essendo i trasformatori in resina occorre considerare il contributo degli avvolgimenti oltre al contributo delle uscite lato MT e BT (queste ultime sempre prevalenti). Le uscite del trasformatore vengono simulate tenendo conto del reale distanziamento tra le fasi e del loro profilo. La simulazione è stata condotta assumendo i trasformatori nella posizione indicata dal Committente. 4) Connessioni BT uscita dal trasformatore-quadro BT Le uscite del trasformatore sono realizzate mediante cavi del tipo: Unipolare : Sezione 3x240mm 2 + N 2x240mm 2

11 Pag. 11 di 19 I cavi vengono raccolti a fascio, a 0.7 m sotto le uscite BT del trasformatore e portati a pavimento. La distanza tra le diverse fasi è stata assunta pari a 0.05m. 5) Quadri BT: interruttori protezione linee in uscita La linea BT in uscita dalla cabina viene protetta mediante un interruttore posto all interno del quadro principale di cabina. La connessione a tale quadro prevede che le linee in entrata ed in uscita dall interruttore corrano parallelamente (è stata adottata una distanza tra le fasi pari a 0.1 m). Il parallelismo dei tratti di linea in salita ed in discesa dall interruttore permette di compensare parzialmente i contributi di tali tratti dal punto di vista dei campi magnetici. In Fig. 2 è riportato il layout della cabina elettrica in cui è possibile visualizzare la posizione dei componenti all interno della cabina. Fig. 2. Layout di cabina

12 Pag. 12 di 19 In Fig. 3 è riportato il modello delle sorgenti adottato nello studio della cabina. Il sistema di riferimento è posto in basso a destra ed il livello z=0 corrisponde al piano di calpestio della cabina. Fig. 3. Modello delle sorgenti presenti nella cabina La valutazione dei livelli di induzione magnetica è principalmente rivolta alla valutazione dell impatto ambientale prodotta sui diversi piani x-y ai fini della protezione degli ambienti adiacenti alla cabina.

13 Pag. 13 di Fascia di rispetto 4.1 In assenza di schermatura In Fig 4a, 4b, 4c, e 4d sono riportate le linee isolivello associate all obiettivo di qualità (3 µt) rispettivamente con z=0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m. Come si può osservare l obiettivo di qualità è superato nei locali adiacenti alla cabina dove però non è prevista la presenza di persone per più di 4 ore giornaliere. La fascia di rispetto risulta essere di circa 4.5 m. Fig. 4a Fascia di rispetto a 3 µt: z=0.5m

14 Pag. 14 di 19 Fig. 4b Fascia di rispetto a 3 µt: z=1 m

15 Pag. 15 di 19 Fig. 4c Fascia di rispetto a 3 µt: z=1.5 m

16 Pag. 16 di 19 Fig. 4d Fascia di rispetto a 3 µt: z=2 m

17 Pag. 17 di Conclusioni Dai risultati precedenti non risulta necessario installare un sistema di schermatura, almeno finché le aree adiacenti alla cabina non avranno permanenza di persone per un tempo superiore alle 4 ore giornaliere. Anche al di sotto e al di sopra della cabina non è attualmente prevista la realizzazione di locali o aree con presenza di persone per più di 4 ore e quindi, ad ora, non è necessaria l istallazione di una schermatura. Nel caso i locali limitrofi dovessero cambiare destinazione d uso diventando locali con presenza di persone per più di 4 ore giornaliere risulterebbe necessario valutare la necessità di installare un sistema di schermatura per la protezione di tali locali.

18 Pag. 18 di 19 Allegato 1 - Validazione programma di calcolo La procedura per il calcolo del campo elettrico e magnetico implementa le formule riportare nella norma CEI dal titolo: Guida ai metodi di calcolo dei campi elettrici e magnetici generati da linee elettriche Il programma prevede inoltre, rispetto alla normativa, un calcolo più accurato nel caso in cui le sorgenti di campo, ossia i conduttori non siano paralleli tra loro o rispetto al terreno e siano di lunghezza finita. In questi casi le formule delle norme non sono corrette ed occorre applicare algoritmi più complessi ma ben noti dalla letteratura [1-2]. Il programma di calcolo che implementa tali formule è stato più volte applicato nell ambito di diversi studi di valutazione ambientale di linee elettriche [3]. La procedura proposta è stata inoltre utilizzata in altri studi di impatto ambientale prodotto da cabine elettriche. A titolo di esempio vengono riportati di seguito i risultati ottenuti per una cabina MT/BT di distribuzione (Fig. 1) durante uno studio in collaborazione con l Arpa Lombardia [4]. Fig. 1 Schema della cabina e relativo modello per la valutazione dei livelli di induzione magnetica Nelle figure seguenti sono riportati i valori misurati e calcolati di induzione magnetica a diversi livelli dal pavimento del locale sovrastante la cabina elettrica. Come si può osservare i valori misurati e quelli calcolati sono in buon accordo (differenze pari a circa il 10-15%).

19 Pag. 19 di 19 Y [m] -0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5 Measured -4,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 X [m] µt Y [m] 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0 Computed -3,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 X [m] µt Fig. 2. Confronto tra valori misurati e calcolati di induzione magnetica (riportati alla stessa corrente) al livello del pavimento sopra la cabina elettrica Y [m] -0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5 Measured -4,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 X [m] µt Y [m] 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0 Computed -3,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 X [m] µt Fig. 3. Confronto tra valori misurati e calcolati di induzione magnetica (riportati alla stessa corrente) a 50 cm dal livello del pavimento sopra la cabina elettrica Bibliografia [1] David K. Cheng Field and Wave Electromagnetics (2nd Edition), Addison-Wesley Pub Co, January, 1989, ISBN: [2] K. Umashankar Introduction to Enengineering Electyromagnetic Fields, World Scientific, Advanced Series in Electrical and Computer Engineering, Vol. 4, 1989, ISBN [3] A. Canova, M. Tartaglia, Traction System, pp , Working Group C4.204, MITIGATION TECHNIQUES OF POWER-FREQUENCY MAGNETIC FIELDS ORIGINATED FROM ELECTRIC POWER SYSTEMS.Capitolo Cigre, Febbraio [4] A. Canova, D.M. Carrara,M.T. Cazzaniga, G. Gruosso, M. Zavatti, Campo magnetico prodotto da cabine di trasformazione, Terzo convegno nazionale: Controllo ambientale degli agenti fisici, dal monitoraggio alle azioni di risanamento e bonifica, 7-9 Giugno, Biella, 2006.