La Norma 81-1, dopo aver sottolineato come le prescrizioni integrative in caso di strutture non ordinarie siano tuttora allo studio in ambito internazionale, elenca nell’Appendice H, limitatamente alle strutture non ordinarie, i provvedimenti integrativi che devono essere adottati nelle strutture con rischio di esplosione ed in quelle con impianti interni sensibili al fine di poter ritenere dette strutture adeguatamente protette. In entrambi i casi, l’obiettivo della Norma è ovviamente quello di prevenire il manifestarsi di scariche (tra corpi metallici, tra elementi di impianti e tra questi ultimi ed i primi) all’interno della struttura considerata; la Norma prescrive infatti le sole due possibili azioni che possono conseguire tale obiettivo e precisamente:
– l’annullamento della possibilità di una scarica pericolosa mediante collegamenti equipotenziali efficaci (diretti o tramite limitatori di sovratensione, SPD);
– il contenimento entro valori tollerati dagli isolamenti delle sovratensioni mediante particolari accorgimenti circuitali o l’adozione di adatte schermature.
Poiché la normativa internazionale ha nel frattempo definito i principi generali per la protezione contro gli impulsi elettromagnetici dovuti al fulmine (LEMP – Norma IEC 1312-1 “Protection against lighting electromagnetic impulse – Part 1: General principles”, I edizione, Febbraio ’95), si ritiene utile evidenziare gli aspetti più importanti che tale normativa introduce introduce nel progetto e nell’ esecuzione di detti impianti di protezione.
Può essere infine opportuno ricordare come questo tipo di protezione (LEMP) e lo studio della compatibilità elettromagnetica (EMC) utilizzino ovviamente gli stessi principi fisici e la stessa modellistica. Tuttavia, mentre gli studi EMC tendono, in presenza di disturbi di diverso tipo, ad ottenere il corretto funzionamento degli apparati, il LEMP si limita a garantire l’integrità dei circuiti afferenti agli apparati stessi nel caso di fulminazione diretta della struttura o di fulmine al suolo nelle immediate vicinanze.
Parametri della corrente di fulmine
Lo studio della distribuzione della corrente di fulmine (sorgente dell’interferenza) negli elementi che compongono l’impianto di protezione (LPS) esterno e nelle installazioni (condutture elettriche, idriche, etc.) ad esso collegate deve essere effettuato ipotizzando un generatore di corrente che rappresenti le diverse componenti della reale corrente di fulmine, e precisamente:
– primo colpo di polarità positiva o negativa;
– colpo successivo di polarità negativa;
– corrente continuativa di polarità positiva o negativa.
I parametri che caratterizzano ciascuna delle tre componenti e che devono versi livelli di protezione sono riportati in tabella I.
Zone di protezione
La struttura da proteggere deve essere divisa in diverse “zone di protezione contro il fulmine” o “Lightning Protection Zones” (LPZ), ciascuna delle quali sia caratterizzata da significative variazioni delle “condizioni elettromagnetiche”. Ciò consente di definire volumi caratterizzati da differenti “severità” del LEMP e di individuare la posizione dei collegamenti equipotenziali al confine tra due zone adiacenti. In particolare possono essere definite le seguenti zone:
– LPZ 0A: Zona in cui gli elementi sono soggetti a fulminazione diretta e sono quindi interessati dall’intera corrente di fulmine e dove non si verifica alcuna attenuazione del campo elettromagnetico;
– LPZ 016 B: Zona in cui gli elementi, anche se non esposti alla fulminazione diretta, sono interessati dal pieno campo elettromagnetico (non attenuato da alcun provvedimento);
– LPZ 1: Zona in cui gli elementi non sono esposti alla fulminazione diretta e dove le correnti che attraverso essi fluiscono sono ulteriormente ridotte rispetto a quelle che si possono verificare negli elementi posti in LPZ 0B in funzione delle caratteristiche dell’eventuale schermatura esistente;
– LPZ 2, etc: Zone entro le quali, se necessario, l’ampiezza delle correnti che fluiscono sugli elementi e l’intensità del campo elettromagnetico possono essere ulteriormente ridotti.
Un esempio di suddivisione di una struttura in differenti zone è riportato in figura:
che mostra come una linea elettrica di potenza ed una di segnale entrino (LPZ 1) nella struttura e siano connesse (direttamente gli schermi, tramite SPD i conduttori di energia) alla barra di equipotenzialità in corrispondenza dei confini tra le Zone LPZ 0A, 0B e LPZ 1. Inoltre le linee sono connesse alla barra di equipotenzialità (2) in corrispondenza del confine tra le Zone LPZ 1 ed LPZ 2.
L’esempio mostra anche come, grazie alla particolare realizzazione del locale che racchiude la LPZ 2, quest’ultima non sia in alcun modo interessata da frazioni della corrente di fulmine.
Riduzione delle sovratensioni
L’impianto di protezione esterno (contro la fulminazione diretta) può contribuire solo in modo molto parziale alla riduzione delle sovratensioni. Infatti gli accorgimenti che possono essere adottati (captatore a maglia, incremento del numero di calate, ubicazione delle calate stesse in posizione simmetrica rispetto alla struttura da proteggere) non consentono di ottenere le drastiche riduzioni in genere necessarie per evitare sovratensioni che potrebbero raggiungere valori pericolosi per l’integrità delle apparecchiature elettroniche.
Gli specifici provvedimenti atti a limitare le sovratensioni indotte dal campo elettromagnetico associato alle correnti di fulmine che fluiscono nei diversi elementi dell’LPS e della struttura possono essere così sintetizzati:
– schermature esterne della struttura o delle diverse zone;
– scelta di opportuni percorsi per tutte le linee;
– schermatura delle linee;
– possono, quando necessario, essere adottati simultaneamente.
Al fine di migliorare le “condizioni elettromagnetiche” all’interno di una struttura tutte le parti metalliche di dimensioni significative della struttura stessa (coperture o facciate metalliche, ferri di armatura, etc.) devono essere connesse tra loro ed all’LPS.
Si tende in questo modo a formare una schermatura la cui efficacia dipende essenzialmente dal lato di magliatura (vedi figura 3 mostra figura – Caratteristica di attenuazione del campo magnetico di armature del cemento armato).
Per quanto concerne la scelta di opportuni percorsi per le linee interne, è appena il caso di ricordare come la loro distanza ed il loro orientamento rispetto agli elementi percorsi dalle correnti di fulmine siano determinanti (unitamente alla eventuale presenza di uno schermo) ai fini della riduzione delle sovratensioni indotte.
A titolo di esempio in figura 2 sono riportati i valori di tali sovratensioni per alcune tipiche configurazioni.
Inoltre, quando siano impiegati cavi schermati, gli schermi devono essere connessi almeno alle estremità ed in corrispondenza dei confini tra le diverse zone. I cavi che interconnettono due o più strutture dovrebbero, in linea di massima, essere posati entro condotti metallici (tubi, canalette, condotti in calcestruzzo armato, ecc.) che garantiscano una buona conducibilità da un estremo all’altro e che siano connessi ai dispersori delle strutture stesse. Le caratteristiche di conducibilità elettrica e le dimensioni della sezione dei sopraccitati condotti (ivi compresi gli schermi dei cavi, quando non sia presente alcun condotto) devono essere tali da consentire il fluire di una notevole porzione dell’intera corrente di fulmine. Quando non sia possibile una più accurata determinazione di detta corrente si può ritenere che, dell’intera corrente di fulmine (I), il 50 % circa fluisca nel dispersore mentre il rimanente 50% (I16 s) si suddivida equamente tra i corpi metallici e le linee entranti nella struttura che presenti percorsi distinti tra loro.
Il valore della corrente che interessa ciascuna linea o corpo metallico (Ii) è quindi pari a Ii = Is/n dove n è il numero di “servizi” entranti che possono essere considerati disaccoppiati tra loro
La corrente che interessa ciascun conduttore di una linea non schermata (Iv) si può assumere equamente ripartita tra gli m conduttori (Iv = Ii/m).
Per quanto riguarda le connessioni a terra delle parti metalliche accessibili degli apparati (armadi, cabinets, ecc.), esse devono essere effettuate in modo da presentare bassa impedenza e da limitare al minimo possibile l’area sottesa dalle spire formate con gli altri cavi di potenza e di segnale.
A titolo di esempio e con riferimento ai sistemi informatici, esistono essenzialmente due metodi per connettere detti apparati al sistema di messa a terra e precisamente la configurazione “a stella” e quella “a maglia”. In generale la connessione “a stella” è utilizzata in sistemi relativamente piccoli dove tutti i cavi (segnale ed energia) entrano nel sistema in unico punto.
Quando è utilizzata la configurazione “a maglia’, i componenti metallici del sistema informatico non devono essere isolati dai componenti del sistema di messa a terra.
Le due configurazioni possono anche essere impiegate contemporaneamente.
