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PROTEZIONE CONTRO I FULMINI

NORME, IMPIANTI E TECNOLOGIE 4.0

CORSO CEI INDUSTRIA 4.0

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LA SERIE DI NORME CEI EN 62305 PER LA PROTEZIONE CONTRO I FULMINI

27/07/2018
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Principi, analisi e valutazione del rischio, scelta delle protezioni.

Franco Bua, Segretario Tecnico CEI

 

Introduzione

I fulmini sono eventi pericolosi in grado di produrre danni, anche rilevanti; conseguentemente nella progettazione di una struttura, si dovrebbe sempre condurre un’analisi di questo rischio per valutare se sia necessario adottare idonee misure di protezione. Vale la pena di sottolineare che questa valutazione è in molti casi obbligatoria per legge come, ad esempio, in tutti i luoghi di lavoro e in tutte le attività soggette al controllo dei Vigili del Fuoco.

Il Comitato Tecnico del CEI che si occupa della protezione contro i fulmini è l’omonimo CT 81 il cui scopo è quello di preparare norme riguardanti la valutazione del rischio dovuto ai fulmini, la progettazione delle misure di protezione e la loro realizzazione.

Le Norme di riferimento principali del CT 81 sono quelle della serie CEI EN 62305 che tratta i principi generali alla base della protezione contro il fulmine ed è composta da quattro Parti.

La Parte 1 della Norma CEI EN 62305 indica i principi generali che sono alla base della protezione contro il fulmine di:

  • strutture, inclusi gli impianti, il contenuto e le persone;
  • servizi entranti nella struttura.

Occorre precisare che non rientrano nello scopo della Norma i seguenti casi:

  • sistemi ferroviari;
  • veicoli, navi, aerei, installazioni in mare “”offshore””;
  • tubazioni sotterranee ad alta tensione;
  • tubazioni, linee elettriche di potenza e di telecomunicazione non connesse alla struttura.

La Parte 2 della Norma CEI EN 62305 propone un metodo di analisi del rischio dovuto ai fulmini. Lo scopo di questa parte è quello di descrivere la procedura che permette la quantificazione analitica di questo rischio. Questo rischio può essere poi ponderato rispetto al valore del rischio tollerabile, per decidere se sia il caso di adottare idonee misure di protezione.

La Parte 3 della Norma CEI EN 62305 definisce invece i requisiti per la protezione di una struttura contro i danni materiali per mezzo di un impianto di protezione (LPS) e per la protezione contro i danni agli esseri viventi causati dalle tensioni di contatto e di passo in prossimità dell’LPS. In particolare, questa Norma fornisce le prescrizioni per:

  • il progetto, l’installazione, la verifica e la manutenzione di LPS per strutture, senza limitazioni in altezza;
  • la realizzazione di misure di protezione contro i danni agli esseri viventi causati dalle tensioni di contatto.

Per la valutazione del rischio dovuto ai fulmini e la scelta delle misure di protezione secondo la serie di Norme CEI EN 62305 il CEI dispone anche di un software “Flash by CEI” ideato dal prof. Riccardo Tommasini del Politecnico di Torino.

La quarta e ultima Parte della Norma CEI 62305 fornisce informazioni sul progetto, l’installazione, l’ispezione, la manutenzione e la verifica del sistema di misure di protezione contro il LEMP (LPMS) per gli impianti elettrici ed elettronici nelle strutture, al fine di ridurre il rischio di danni permanenti dovuti all’impulso elettromagnetico associato al fulmine.

 

Impostazione del problema

La Norma CEI EN 62305-1 è fondata sulla definizione esplicita del meccanismo di azione del fulmine in termini di relazione causa-effetto tra fulmine inteso come sorgente di danno e i danni conseguenti e tra danno e perdite conseguenti.

La norma individua:

  • 4 sorgenti di danno (fulmine sulla struttura, fulmine vicino alla struttura, fulmine sui servizi entranti nella struttura, fulmine in prossimità dei servizi entranti nella struttura);
  • 3 tipi di danno dovuti al fulmine (danni ad esseri viventi dovuto a tensioni di passo e di contatto, danni materiali, guasti agli impianti dovuti al LEMP);
  • 4 tipi di perdite (perdita di vite umane, perdita di servizio pubblico, perdita di patrimonio culturale insostituibile, perdite economiche).

In sostanza la norma prefigura queste relazioni: un fulmine può agire in modo pericoloso in 4 modi diversi, ciascun modo può provocare al più 3 tipi di danno differenti ed a ciascun tipo di danno possono corrispondere 4 tipi di perdite di natura diversa (Figura 1).

Figura 1 – Tipi di perdita e corrispondenti rischi risultanti da differenti tipi di danno (Norma CEI EN 62305-1).

Nel caso della protezione contro i fulmini, i fenomeni e le sollecitazioni in gioco dipendendo da fenomeni atmosferici, non sono di natura deterministica bensì di natura statistica. La strategia scelta dalle norme per affrontare operativamente il problema della stima delle sollecitazioni in caso di fulminazione è quella della normalizzazione statistica delle correnti di fulmine in 4 categorie e dell’associazione di queste ad altrettanti livelli di protezione (LPL).

Ad ogni livello di protezione è associata la probabilità che i parametri della corrente di fulmine siano superiori od inferiori ai valori massimi e minimi che caratterizzano i livelli di protezione (Tabella 1).

Tabella 1 – Probabilità per i limiti dei parametri della corrente di fulmine.

Ad esempio, i valori massimi dei parametri della corrente di fulmine relativi all’LPL I presentano una probabilità di non essere superati pari al 99%.

I valori massimi dei parametri della corrente di fulmine relativi all’LPL I sono ridotti al 75% per l’LPL II e al 50% per l’LPL III e IV (lineare per I, Q e di/dt, quadratico per W/R). Rimane invariato il parametro tempo.

 

Zone di protezione

L’adozione di misure di protezione diverse (LPS, funi di guardia, schermature e SPD) definisce zone caratterizzate da diversi livelli di sollecitazioni residue in caso di fulminazione, dette zone di protezione (LPZ).

Un sistema di protezione efficace dovrebbe garantire che l’oggetto da proteggere si trovi all’interno di una LPZ con caratteristiche compatibili con la capacità dell’oggetto stesso di resistere alle sollecitazioni tipiche di quella zona di protezione (Tabella 2).

Caratteristiche della corrente di fulmine

Per poter dimensionare i diversi componenti dell’LPS e delle parti comunque sollecitate in caso di fulminazione diretta, come ad esempio lo spessore delle guaine metalliche dei cavi, gli SPD, le distanze di isolamento per evitare scariche pericolose e così via, dovrebbero essere note le caratteristiche della corrente di fulmine.

I parametri delle correnti di fulmine a cui fa riferimento la Norma sono quelli CIGRE. Le loro distribuzioni statistiche possono essere assunte di tipo logaritmico-normale.

La probabilità di accadimento di ciascun valore di ogni parametro può quindi essere determinata sulla base dei valori tabulati nell’allegato A della Norma (Tabella 3).

Tabella 3 – Valori massimi dei parametri di fulmine e dei corrispondenti livelli di protezione.

 

Oltre ai parametri caratterizzanti le correnti, i fulmini possono essere distinti in base (Figura 2):

  • al loro verso di propagazione:
    • discendenti, ovvero iniziati da canali procedenti dalla nube verso terra, tipici dei territori pianeggianti ed in presenza di strutture di altezza modesta
    • ascendenti, ovvero iniziati da canali procedenti da una struttura a terra verso la nube, tipici delle strutture esposte e/o di altezza elevata
  • alla durata dei colpi:
    • brevi (durata inferiore a 2 ms)
    • lunghi (durata superiore a 2 ms)
  • alla polarità dei colpi:
    • positivi
    • negativi.

 

Figura 2 – Possibili componenti di un fulmine discendente (tipico in territorio pianeggiante e su strutture di modesta altezza) (Norma CEI EN 62305-1).

 

Misure di protezione e trattamento del rischio

Per valutare la necessità di adottare o meno misure di protezione contro i fulmini occorre, in linea generale, valutare il rischio a cui è soggetta la struttura (R) e confrontarlo con il rischio che è ritenuto tollerabile.

Per una struttura per la quale non siano stati presi particolari provvedimenti protettivi, una volta stabilito un valore limite di rischio tollerabile Ra, se risulta soddisfatta la relazione:

R < Ra

non è necessario adottare alcun provvedimento protettivo; se, viceversa:

R > Ra

cioè il rischio valutato risulta maggiore di quello tollerabile, occorre adottare misure di protezione al fine di ridurre il rischio a un valore tale da soddisfare la prima disuguaglianza.

Questa, in estrema sintesi, è la logica del processo decisionale che la Norma CEI EN 62305-2 propone per valutare se sia necessario proteggere una struttura contro gli effetti dei fulmini. La procedura di valutazione e tutta l’architettura della serie delle norme CEI EN 62305 si inquadra perfettamente nello schema generale del processo di gestione del rischio codificato dalla Norma ISO 31000; dopo la fase di valutazione e ponderazione del rischio (Norma CEI EN 62305-2), segue infatti la fase di trattamento, ossia la fase in cui si definiscono le azioni volte a ridurre il rischio ad un livello accettabile (Norme CEI EN 62305-3 e -4) e a mantenerlo tale.

Due cose è importante sottolineare: la prima è che, comunque, indipendentemente dai provvedimenti presi per ridurre il rischio, esisterà sempre un rischio residuo, la seconda è che il trattamento non si limita alla sola definizione di misure di prevenzione e protezione ma comprende anche la definizione di un piano di manutenzione finalizzato alla verifica che tutte le misure di prevenzione e protezione atte a ridurre il rischio continuino ad assicurare la loro funzione nel tempo (Figura 3).

Figura 3 – Schema del processo di gestione del rischio.

 

La Norma CEI EN 62305-3 insieme alla Norma CEI EN 62305-4 costituiscono quella parte della serie 62305 specificatamente dedicata al trattamento del rischio dovuto al fulmine.

Dei 3 tipi di danno che un fulmine può provocare in una struttura, la Norma CEI EN 62305-3 tratta infatti i tipi D1 (danni agli esseri viventi) e D2 (danni materiali dovuti agli effetti della corrente di fulmine). La Norma CEI EN 62305-4 completa il quadro fornendo le misure di protezione contro i danni di tipo 3 (D3), ossia quelli relativi ai guasti agli impianti interni dovuti al LEMP.

 

Impianto di protezione (LPS)

L’impianto di protezione è generalmente composto da un impianto di protezione esterno e da un impianto di protezione interno.

L’impianto di protezione esterno ha lo scopo di intercettare, condurre e disperdere a terra la corrente di fulmine.

L’impianto di protezione interno ha lo scopo di prevenire le scariche pericolose tra componenti dell’impianto esterno ed altri componenti della struttura quali corpi metallici interni, impianti interni, corpi metallici esterni e linee entranti.

Com’è possibile esprimere quantitativamente le funzioni richieste all’LPS? Le prestazioni di un LPS sono sintetizzate, secondo la Norma CEI EN 62305-3, in un parametro detto “classe”.

La classe dell’LPS rappresenta infatti la probabilità con cui l’impianto protegge la struttura o, equivalentemente, la percentuale di fulmini dalla quale l’impianto la protegge (Tabella 4); ad esempio, un LPS di classe I protegge la struttura dal 98% dei fulmini incidenti sulla struttura stessa.

Tabella 4 – Valori di probabilità che un fulmine diretto causi danno materiale su una struttura in funzione delle misure di protezione adottate (PB).

La classe dell’LPS si sceglie in funzione del livello di protezione che si vuole ottenere secondo quanto indicato dall’art. 4.1 della Norma CEI EN 62305-3 (Tabella 5). L’LPL da conseguire è uno dei risultati dell’analisi del rischio.

Tabella 5 – Corrispondenza tra il livello di protezione (LPL) e la classe dell’LPS.

 

Misure di protezione contro il LEMP

Il fulmine può determinare guasti agli impianti interni per effetto dell’impulso elettromagnetico associato. Una protezione completa contro gli effetti del fulmine presuppone, quindi, l’adozione di opportune misure di protezione contro il LEMP.

L’impulso elettromagnetico di fulmine (LEMP) è definito dalle Norme della serie CEI 62305 come “l’insieme degli effetti elettromagnetici della corrente di fulmine”. La lettura combinata delle definizioni di LEMP e di “impulso” chiarisce che gli effetti elettromagnetici della corrente di fulmine comprendono: gli effetti del campo elettromagnetico dovuto alla corrente di fulmine irradiato direttamente sulle apparecchiature;

  • gli effetti delle sovracorrenti e/o sovratensioni indotte dal campo elettromagnetico della corrente di fulmine direttamente sugli impianti interni;
  • gli effetti delle sovracorrenti e/o sovratensioni indotte dal campo elettromagnetico della corrente di fulmine sulle linee dei servizi entranti nella struttura e condotte da queste sugli impianti interni.

In altri termini, considerando anche le definizioni delle componenti di rischio contenute nella Norma CEI EN 62305-2, le misure di protezione degli impianti interni contro il LEMP servono per mitigare gli effetti delle:

  • sovratensioni causate da fulminazione diretta della struttura dovute ad accoppiamenti resistivi od induttivi;
  • sovratensioni causate da fulminazione indiretta della struttura dovute ad accoppiamenti induttivi;
  • sovratensioni nelle linee di servizi entranti (energia, segnale) causate dalla fulminazione diretta delle linee stesse, e che, sempre attraverso le stesse linee, sono trasmesse alla struttura;
  • sovratensioni indotte nelle linee di servizi entranti (energia, segnale) causate dalla fulminazione indiretta delle linee stesse, e che, sempre attraverso le stesse linee, sono trasmesse alla struttura. I danni agli impianti interni (elettrici ed elettronici) causati dall’impulso elettromagnetico di fulmine sono oggetto della Norma CEI EN 62305-4 (Tabella 6).

I danni agli impianti interni (elettrici ed elettronici) causati dall’impulso elettromagnetico di fulmine sono oggetto della Norma CEI EN 62305-4 (Tabella 6).

Tabella 6 – Sinossi degli effetti della corrente di fulmine per le quali la Norma CEI EN 62305-4 prescrive misure di protezione.
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