Guida pratica ai metodi e criteri di riduzione dei campi

Guida pratica ai metodi e criteri di riduzione dei campi magnetici
Guida pratica ai metodi e criteri di riduzione dei campi magnetici
Pubblicato il: 10/04/2007
Aggiornato al: 10/04/2007
1.
di Gianfranco Ceresini
Generalità
La problematica della mitigazione dei campi magnetici all’interno delle cabine MT/BT era già stata affrontata
dai normatori nell’ultima edizione della Guida CEI 11-35. Infatti, nell’edizione del dicembre 2004 (in vigore
dal 1 gennaio 2005) venivano affrontate per la prima volta, in un allegato apposito, le tecniche atte a ridurre
gli effetti dei campi elettromagnetici.
Ora, in una nuova guida, CEI 106-12, l’argomento viene esteso e gli viene attribuita la dignità di un
documento con vita autonoma. La nuova guida, in vigore dal 1 luglio 2006, si propone di fornire criteri
progettuali generali e di indicare soluzioni tecniche allo scopo di contenere i campi magnetici a 50 Hz
prodotti dalle cabine secondarie MT/BT nelle aree abitative circostanti. Tali criteri e soluzioni considerano sia
la riduzione dei campi alla sorgente, attraverso lo studio della disposizione ottimale delle apparecchiature e
dei circuiti, sia la riduzione dei campi nell'area da proteggere, mediante sistemi di schermatura realizzati,
mediante materiali conduttori e ferromagnetici, in vicinanza di tali aree. I criteri e le soluzioni sono
principalmente orientate alle cabine MT/BT, ma le indicazioni generali sono applicabili anche ad altri
tipi di impianti, in cui siano presenti sorgenti di campo magnetico di tipo similare.
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Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a
socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono
possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
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2.
Sorgenti di campo elettromagnetico all’interno di una cabina MT/BT
Premettiamo che i campi elettrici generati dalle cabine MT/BT non sono significativi ai fini dell’esposizione
della popolazione o dei lavoratori e che quindi il processo di riduzione riguarda solo ed unicamente i campi
magnetici, unico riferimento di emissione, da qui in avanti.
Per cercare di semplificare, limitando al massimo la perdita di validità dei risultati, vengono individuate due
sole tipologie di sorgenti di campo:
1. La sorgente puntiforme, cioè di piccole dimensioni rispetto alle distanze alle quali interessa valutare
l’intensità del campo, schematizzata da una spira circolare percorsa da corrente. La sorgente
puntiforme mira a simulare apparecchiature o componenti di apparecchiature presenti in cabina, ad
esempio quelle contenute all’interno del quadro elettrico;
2. La sorgente sistema di conduttori (filiforme), costituita da conduttori paralleli singoli, in coppia o in
terna, la quale intende invece rappresentare i diversi percorsi di conduttori e cavi presenti
nell’impianto di una cabina.
Caratteristiche e campo magnetico generato da una sorgente puntiforme
Una sorgente si può ritenere sufficientemente schematizzata come fosse puntiforme, se la sua distanza
dalla regione di spazio in cui si considera il campo è almeno superiore di tre volte rispetto alla dimensione
maggiore della sorgente. Ad esempio un interruttore magnetotermico, di altezza circa 30 cm, posto
all’interno di un quadro, si può ritenere assimilabile ad una sorgente puntiforme se ci si pone a circa 1 m di
distanza da esso.
La schematizzazione seguita è quella di figura 1, nella quale una spira circolare (sorgente) di raggio R (m) è
percorsa da una corrente I (A). In un’analisi semplificata del fenomeno si può utilizzare la legge di Biot e
Savart per il calcolo dell’induzione magnetica nel punto P, alla distanza D dal centro della spira (induzione
ortogonale al piano della spira e passante per il centro: questa è l’induzione massima, diminuisce a mano a
mano che diminuisce l’angolo della sua direzione rispetto al piano della spira, fino ad annullarsi se
l’induzione è complanare alla spira). Tale legge, nei casi in cui D >> R, cioè per le distanze di pratico
interesse, dimostra che il campo decresce in maniera inversamente proporzionale al cubo della distanza.
Figura 1 – Induzione magnetica prodotta da una spira circolare (CEI 106-12)
B (µT) = (π x I x R2)/(5 x D3)
In pratica quindi accade che, anche se il campo magnetico è molto elevato in prossimità della sorgente (ad
esempio per D = R), il suo valore decade rapidamente allontanandosi anche di poco (di 8 volte per D = 2R,
di 125 volte per D = 5R ed addirittura di 1000 volte per D = 10R).
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Caratteristiche e campo magnetico generato da una sorgente filiforme
Le possibili sorgenti formate da linee elettriche rettilinee, possono essere di diversa natura: linee unifilari,
linee bifilari e linee trifase quest’ultime con disposizioni differenti dei conduttori.
In figura 2 vengono riportate le formule che permettono di calcolare il campo elettrico e l’induzione
magnetica di una linea unifilare (che rappresenta il caso di un conduttore a grande distanza dal conduttore di
ritorno della corrente) e di
una linea bifilare (ad
esempio
linea
di
distribuzione fase-fase o
fase-neutro).
Si nota che il campo
magnetico generato dalle
linee bifilari è inferiore a
quello delle linee unifilari,
a causa dell’effetto di
riduzione
del
campo
causato dalla presenza di
conduttori vicini percorsi
da correnti con fasi
diverse.
Figura 2 – Campo magnetico e induzione magnetica generati nel punto P da linee unifilari e bifilari
(CEI 106-12)
•
•
Nel caso della linea unifilare, il campo magnetico decresce solo linearmente con la distanza D dalla
sorgente;
Nel caso della linea bifilare, percorsa da correnti di intensità uguali, ma versi opposti, il decremento
del campo è proporzionale al quadrato della distanza D, mentre cresce proporzionalmente al
rapporto S/D, a parità di distanza dalla sorgente (S è la distanza fra i conduttori).
In figura 3 vengono invece riportate le formule utilizzabili per il calcolo del campo generato da sistemi trifase
composti da conduttori rettilinei
disposti
tra
di
loro
parallelamente e percorsi da
una terna di correnti simmetrica
ed equilibrata.
Tali formule, approssimate,
hanno una loro validità per D >>
S, dove D è la distanza dal
centro del sistema trifase ed S è
la distanza fra i conduttori. Si fa
notare che la disposizione dei
conduttori ai vertici di un
triangolo equilatero è quella
che, a parità di altre condizioni,
minimizza il campo magnetico.
Figura 3 – Induzione magnetica
generata nel punto P da una linea
trifase con conduttori
rettilinei, paralleli e correnti equilibrate e simmetriche (CEI 106-12)
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Figura 4 – Confronto fra le attenuazioni con la distanza D, dell’induzione magnetica prodotta da sorgenti
puntiformi (spira circolare) e sorgenti filiformi (conduttore singolo e linea trifase). In tutti i casi si è considerata
una corrente di 1 A (CEI 106-12)
Spesso però nelle cabine MT/BT i conduttori non sono rettilinei, ma sono costretti a formare delle curve che
alterano il valore del campo magnetico circostante. Rispetto alla situazione di un conduttore rettilineo, ad
ogni curvatura del conduttore (o di un fascio di conduttori) corrisponde un aumento del campo magnetico
nell’area concava (parte interna alla curvatura) delimitata dal conduttore stesso, ed una diminuzione del
campo magnetico nell’area convessa (parte esterna alla curvatura). Vedi figura 5.
Figura 5 – Aumento e riduzione del campo magnetico nei pressi di una curvatura di un fascio dicavi
all’interno di una cabina MT/BT
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3.
Metodi di schermatura del campo magnetico
La schermatura di un campo magnetico a bassa frequenza non è un’operazione semplicissima, ma è
comunque possibile attraverso l’uso di fogli, nastri, piastre o di materiale ferromagnetico ad elevata
permeabilità (es. ferro), oppure di materiale
conduttore ad elevata conducibilità (es. rame,
alluminio, acciaio ad elevate caratteristiche
magnetiche). L’efficacia di uno schermo dipende
da diversi parametri quali lo spessore,
l’estensione, la distanza dalla sorgente, la
permeabilità e conducibilità del materiale,
l’applicazione e la connessione delle singole
parti che lo costituiscono, l’orientamento del
campo
inducente.
Poiché
gli
schermi
ferromagnetici tendono ad assorbire il flusso,
anziché rifletterlo come fanno gli schermi
conduttori,
ne
consegue
la
seguente
conclusione:
Figura 6 – Simulazione di un campo magnetico in assenza di schermi
(Politecnico di Torino)
•
•
Utilizzando materiali ferromagnetici occorre realizzare schermi di forma chiusa formando strutture
che circondino il più possibile le sorgenti in modo così da aumentarne l’efficacia, soprattutto nelle
vicinanze della sorgente stessa;
Utilizzando materiali conduttori conviene realizzare schermi aperti, in modo da ottenere significativi
risultati, soprattutto ad una certa distanza dalle sorgenti.
Schermi ferromagnetici
I materiali ferromagnetici, avendo una permeabilità più elevata rispetto a quella dell’aria, offrono una via
preferenziale al campo magnetico. In questo modo “succhiano” linee di flusso del campo magnetico dalla
zona intorno alla sorgente da schermare. La loro efficacia schermante è pertanto elevata nelle immediate
vicinanze dello schermo, mentre
diminuisce di intensità all’aumentare
della distanza dallo schermo stesso.
Operando a basse frequenze, per
ottenere schermature efficaci, occorre
utilizzare una notevole quantità di
materiale ferromagnetico determinando
pesi e ingombri molto elevati. L’impiego
di tali schermi è quindi da preferire per
aree di dimensioni ridotte e nel caso sia
importante
ottenere
l’effetto
di
mitigazione nelle zone più vicine alla
sorgente (figura 7). I parametri che
bisogna valutare nella scelta di uno
schermo
ferromagnetico
sono
i
seguenti:
Figura 7 – Simulazione di un campo magnetico in presenza di schermo magnetico
(Politecnico di Torino)
•
La permeabilità magnetica del materiale impiegato: più è elevata e maggiore è l’efficacia
schermante;
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•
•
•
•
•
Lo spessore delle lamiere utilizzate è ininfluente in un range tra 5 e 10 mm (ipotizzando l’uso di
acciaio comune), ma diventa un fattore importante se si scende al di sotto dei 2 mm, sogli sotto la
quale l’efficacia schermante si riduce drasticamente;
La conducibilità del materiale usato: se è elevata, allo schermo magnetico si aggiunge anche un
effetto come schermo conduttore, dovuto alle correnti indotte;
L’estensione di uno schermo magnetico e la sua efficacia schermante vanno di pari passo.
Occorre infatti fare in modo che lo schermo avvolga la sorgente, anche se non va trascurato l’effetto
di concentrazione di campo lungo i bordi dello schermo, dove il campo stesso può essere anche
maggiore di quello iniziale;
Se diminuisce la distanza tra la sorgente e lo schermo, migliora l’efficacia schermante;
Sono importanti, oltre che le dimensioni, anche la posizione e la forma dello schermo. Infatti,
uno schermo magnetico di forma piana reagisce solo alla componente del campo magnetico ad
esso parallela e quindi è importante studiare l’orientamento del campo inducente.
Schermi Conduttori
Negli schermi conduttori, i campi
magnetici variabili inducono delle
correnti parassite, le quali, a loro
volta creano un campo magnetico
che si oppone a quello inducente.
L’impiego di materiali conduttori è
particolarmente indicato quando si
debbano ottenere riduzioni di
campo magnetico, non solo nelle
immediate vicinanze della sorgente
(come
fanno
gli
schermi
ferromagnetici),
ma
anche
a
distanze maggiori (figura 8). I
parametri che bisogna valutare nella
scelta di uno schermo conduttore
sono i seguenti:
Figura 8 – Simulazione di un campo magnetico in presenza di schermo conduttore
(Politecnico di Torino)
•
•
•
•
•
•
L’efficacia schermante cresce linearmente con lo spessore del materiale utilizzato. Questo
vale fino a spessori di 9 mm per il rame e di 12 mm per l’allumino, corrispondenti alla massima
profondità di penetrazione delle correnti parassite all’interno dei due metalli. E’ evidente allora che
uno spessore aggiuntivo a questi provoca solamente un aumento di peso e di ingombro, senza
alcun miglioramento effettivo dello schermo;
L’efficacia schermante aumenta con la conducibilità del metallo impiegato. Da questo lato è
sicuramente preferibile il rame, ma la minore efficacia dell’alluminio può essere compensata da uno
spessore superiore, essendo il suo peso specifico inferiore (in linea di massima, lastre di alluminio
dello spessore di 5 mm sono equivalenti a lastre di rame dello spessore di 3 mm);
L’estensione di uno schermo conduttore e la sua efficacia schermante vanno di pari passo.
Occorre infatti fare in modo che lo schermo avvolga il più possibile la sorgente di campo;
Se diminuisce la distanza tra la sorgente e lo schermo, migliora l’efficacia schermante;
Il miglioramento della continuità elettrica fra gli elementi che costituiscono lo schermo,
migliora l’efficacia schermante, per cui è meglio saldare fra di loro le parti piuttosto che realizzare
normali connessioni elettriche;
Sono importanti, oltre che le dimensioni, anche la posizione e la forma dello schermo. Infatti,
uno schermo conduttore di forma piana reagisce solo alla componente del campo magnetico ad
esso perpendicolare e quindi è importante studiare l’orientamento del campo inducente.
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Una delle due soluzioni non è sempre migliore dell’altra, ma vanno valutati caso per caso tutti i fattori che
possono influenzare il risultato, che sono, oltre all’efficacia nell’attenuazione del campo, anche il costo, le
dimensioni, il peso, l’ingombro, la facilità di posa in opera. Nella linea interrata di Enel Distribuzione a 150 kV
Lettere-Castellamare, sono stati schermati 4900 m di linea con una canaletta chiusa di acciaio zincato ad
elevate caratteristiche magnetiche (figura 9). Lo spessore utilizzato è stato di 3 mm con all’interno conduttori
in alluminio da 1000 mm2.
Figura 9 – Esempio di montaggio della canaletta ferromagnetica schermante (a sinistra) e canaletta aperta prima della posa dei cavi (a
destra) (AEIT)
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4.
Interventi che si possono effettuare all’interno di una cabina MT/BT per ridurlo
Vengono presi in considerazione due metodi di mitigazione dei campi magnetici generati dalle cabine,
indicando nel primo sicuramente la scelta più efficace e preferibile:
a. Agire sulla configurazione e componentistica della cabina eseguendo una o più delle seguenti azioni
durante la messa in opera o la ristrutturazione della cabina:
o Allontanare le sorgenti di campo più pericolose (quadri e relativi collegamenti al
trasformatore) dai muri della cabina confinanti con l’ambiente esterno ove si vuole ridurre il
campo. Infatti i collegamenti BT trasformatore-quadro sono in genere quelli interessati dalle
correnti e quindi dai campi magnetici più elevati;
o
Avvicinare le fasi dei collegamenti utilizzando preferibilmente cavi cordati;
o
Disporre in modo ottimale le fasi, nel caso in cui si utilizzino per esse più cavi unipolari in
parallelo;
o
Utilizzare unità modulari compatte;
o
Nel caso in cui il collegamento trasformatore-quadro BT fosse ancora realizzato con piattina
di rame nudo, sostituirlo con cavi posati possibilmente al centro della cabina;
o
Utilizzare cavi tripolari cordati, piuttosto che cavi unipolari, per gli eventuali collegamenti
entra-esci in Media Tensione. Infatti, in particolare i circuiti che collegano le linee MT ai
relativi scomparti di cabina (nel caso appunto di collegamento in “entra-esci” della cabina
alla rete) sono percorsi da una corrente che può essere dello stesso ordine di grandezza di
quelle dei circuiti di bassa tensione. Meno importanti, dal punto di vista della produzione di
campi elettromagnetici, sono invece i collegamenti tra il trasformatore ed il relativo
scomparto del quadro MT; in questo caso infatti la corrente è solamente di qualche decina di
ampere e, generalmente, il percorso dei cavi interessa la parte più interna della cabina;
o
Posizionare i trasformatori in modo che i passanti di media tensione (correnti basse)
siano rivolti verso la parete della cabina ed i passanti di bassa tensione (correnti alte) siano
invece rivolti verso il centro della cabina (questo ovviamente se i problemi sono oltre le
pareti e non sopra il soffitto o sotto il pavimento).
Utilizzare preferibilmente trasformatori in olio, invece che in resina, poiché la cassa in
ferro rende trascurabili i flussi dispersi nell’ambiente circostante, producendo un’efficace
azione schermante
b. Utilizzazione di schermi ferromagnetici o conduttori. Se non fosse possibile mettere in atto le
modalità installative viste sopra, o ancora peggio, se queste fossero insufficienti nell’ottenere valori
di campo magnetico nei limiti di legge, si può ricorrere alla tecnica della schermatura che viaggia su
due binari: gli schermi magnetici e gli schermi conduttivi. Nel primo caso l’obiettivo della schermatura
è quello di distogliere il flusso magnetico dal suo percorso verso luoghi dove non dovrebbe andare,
per convogliarlo in zone non presidiate da persone, mentre nel secondo si tratta di contrastare il
flusso esistente con un altro contrario. La schermatura può essere limitata alle sorgenti (soprattutto
cavi e quadri BT) od estesa all’intero locale cabina. Tuttavia è necessario precisare alcune situazioni
relative alla schermatura, individuate già dalla guida CEI 11-35 e riprese dalla nuova guida CEI 10612:
o Gli interventi di schermatura, che sono facili da effettuare in fase progettuale, sono
talvolta difficili (o addirittura impossibili) da realizzare su cabine esistenti e possono essere
anche particolarmente costosi;
o
o
La schermatura può essere parziale, limitata cioè alle principali sorgenti di campo
magnetico (cavi, quadri, trasformatore) o al limite ad alcune pareti, oppure totale, ovvero
estesa all’intera cabina (figure 10, 11, 12);
o
La schermatura parziale consiste nell’avvolgere le principali sorgenti di campo con schermi
ferromagnetici se si vuole ridurre il campo nelle immediate vicinanze dello schermo, oppure
conduttori se si vogliono ottenere migliori risultati anche a distanze maggiori.
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Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia s.r.l. a
socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono
possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Guida pratica ai metodi e criteri di riduzione dei campi magnetici
L'accoppiamento dei due tipi di schermo rappresenta la soluzione tecnica per risolvere i casi
più difficili.Infatti, la geometria complessa dei circuiti di cabina, e quindi la presenza
contemporanea di campi con componenti significative sia verticali che orizzontali, impone
talvolta di dover ricorre a schermature combinate (con materiali conduttori e ferromagnetici);
o
Nel caso di fasci di cavi, la schermatura
può essere effettuata con profilati
sagomati ad U di adeguato spessore. In
questo caso lo schermo per essere
efficace deve avere uno spessore di
qualche millimetro; ciò conferisce per altro
allo schermo buone proprietà meccaniche
che lo rendono anche utilizzabile, se
opportunamente
sagomato,
come
struttura portante dei cavi da schermare;
o
La schermatura totale di una parete
può essere effettuata mettendo in
opera lastre di materiale conduttore o
ferromagnetico o di entrambi i tipi
(figure 10, 11, 12);
Figura 10 – Esempio di schermatura di una cabina di
trasformazione posta in vicinanza di locali adibiti ad
abitazione (Boffelli & Pravato)
o
In alcuni casi pratici sono stati ottenuti dei buoni risultati impiegando lamiera di acciaio
commerciale di spessore 3 mm ÷ 5 mm. A questo riguardo si evidenzia che gli acciai
normalmente in commercio non sono caratterizzati da valori di permeabilità e conducibilità
definiti, per cui la loro efficacia
schermante può essere anche molto
diversa da caso a caso. Per ovviare a
questo inconveniente si possono utilizzare
materiali ferromagnetici a permeabilità
controllata, oppure materiali conduttori
che hanno un comportamento ben definito
ed una buona efficienza schermante;
o
In definitiva, la scelta del tipo di
schermo (sagoma, dimensioni, materiale)
dipende molto dalle caratteristiche
delle sorgenti e dal livello di
mitigazione di campo magnetico che si
vuole raggiungere. Per agevolare tale
scelta
progettuale
appare
quindi
fondamentale ed indispensabile farla
precedere da una fase propedeutica di
caratterizzazione della cabina, attraverso
la quale individuare i livelli di campo
magnetico più significativi, descriverne la
distribuzione spaziale in termini sia di
intensità che di orientamento ed associare
ad essi i componenti di cabina che
verosimilmente ne rappresentano le
sorgenti primarie.
Figura 11 – Esempio di schermatura di una cabina di
trasformazione posta in ambito industriale
(Boffelli & Pravato)
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Figura 12 – Esempio di schermatura di una cabina MT/BT in ambiente industriale: immagini prima e dopo l’intervento di schermatura
(Boffelli & Pravato)
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