Modellistica previsionale applicata allo studio dei campi magnetici
in prossimità di cabine di trasformazione elettrica (mt/bt)
Bruni, M. (1) , Fraschetta, M. (2) , Notari, B. (1) , Sesti, D. (1) , Violanti, S. (2)
(1) Arpa Emilia Romagna, Sezione di Piacenza , Via XXI Aprile 48, 29100 Piacenza,
[email protected]
(2) Arpa Emilia Romagna, Sezione di Modena , Via Fontanelli 23, 41100 Modena,
[email protected]
Casoli, P.
Gruppo Hera , Modena, [email protected]
D' Angelo, L., Martelli, A.
Tecnoservizi S.a.s, Via delle Sette Chiese,146 - 00145 Roma, [email protected]
Riassunto
Il presente lavoro ha lo scopo di individuare una metodologia di studio dei livelli di campo magnetico generati da
cabine di trasformazione MT/bt basata sull'utilizzo della modellistica.
Si è utilizzato il SW previsionale EFC-400LF costruendo dapprima una libreria di dati tecnici relativa alle diverse
tipologie di stazioni considerate e simulando i campi magnetici a seconda del posizionamento degli apparati
all'interno delle cabine. Si è altresì definita una metodologia semplificata di misura per confrontare i livelli di
campo misurati con quelli previsti al fine della validazione del modello stesso.
La simulazione delle cabine è risultata particolarmente complessa, soprattutto per quanto riguarda alcuni
elementi, quali il trasformatore ed i quadri di bassa tensione, con i relativi collegamenti, che peraltro sono gli
apparati che influenzano maggiormente il campo di induzione magnetica generato
La modellizzazione delle cabine può essere utile nella determinazione di fasce di rispetto in riferimento ad
obiettivi di qualità specifici, come richiesto dalla normativa di alcune regioni quali l'Emilia-Romagna (LR 30/2000 e
ss. mm .ii).
A) TIPOLOGIA DI COLLABORAZIONE ATTIVATA
Nel corso del 2004 è stato sottoscritto un protocollo d’intesa tra Agenzia Regionale per la
Prevenzione e l’Ambiente della Emilia-Romagna, Gruppo HERA (al tempo META) di Modena e
Tecnoservizi Sas per intraprendere un’attività di ricerca finalizzata allo studio dei campi magnetici in
prossimità di cabine di trasformazione elettrica tramite l'utilizzo di un modello previsionale per la
valutazione dell'esposizione della popolazione.
Per Arpa ER hanno collaborato le Sezioni di Piacenza in quanto Eccellenza per i campi
elettromagnetici e la Sezione di Modena direttamente coinvolta come territorio, il Gruppo Hera in
effetti distribuisce e gestisce le linee elettriche nella provincia di Modena.
La Ditta Tecnoservizi Sas ha collaborato in quanto distributrice di SW previsionali per le alte e
basse frequenze della Società tedesca Narda STD. Il protocollo è stato strutturato in modo tale da
verificare la possibilità di modellizzare le cabine di trasformazione MT/bt utilizzando il SW Narda EFC400LF già validato da Arpa ER per l'applicazione sulle linee aeree. Nell'analizzare l'opportunità di
un'intesa si è inoltre tenuto in considerazione che l’utilizzo della modellistica per gli impianti in oggetto
presenta una serie di vantaggi quali:
•
stimare la distribuzione spaziale estesa dei valori di campo per le situazioni in essere, a fronte
dei risultati del monitoraggio strumentale che fornisce un numero limitato di valori puntuali;
•
fornire una distribuzione previsionale dei valori di campo attesi a seguito di interventi di
risanamento o di realizzazione di opere;
•
economizzare le risorse da impiegare da parte di tutti i soggetti coinvolti (es. Progettisti
impianti elettrici ed edificazioni, Enti di controllo, Enti autorizzativi, ecc.);
•
fornire, alla cittadinanza interessata alla esposizione ai campi ELF, informazioni previsionali e
validate scientificamente relative alle emissioni CEM indotte dall’esercizio degli impianti
esistenti, dei nuovi impianti e delle eventuali azioni di risanamento.
1) ATTIVITA' SVOLTA
Indicativamente le fasi delle attività previste dal protocollo sono state le seguenti:
a) individuazione di un set di requisiti tecnici minimi indispensabili alla modellizzazione delle cabine;
b) individuazione delle tipologie di impianti da sottoporre a studio;
c) inserimento dei componenti impiantistici di base nella libreria del SW relativamente al punto b);
d) modellizzazione delle cabine sottoposte a studio: calcolo delle distribuzioni dei valori di induzione
magnetica tramite il modello selezionato in funzione delle configurazioni di impianto e degli
scenari di carico degli stessi;
e) definizione metodologia di misura del campo magnetico e delle sorgenti;
f)
confronto fra i valori rilevati strumentalmente e valori stimati dal modello ;
g) individuazione delle possibilità di applicazione del modello alle diverse configurazioni
impiantistiche;
h) definizione fasce di rispetto in relazione a quanto previsto da L.R. 30/2000 e succ. modifiche e
Direttiva DG n.197/2001 in relazione agli impianti considerati.
B) MATERIALI E METODI
1) CABINE DI TRASFORMAZIONE MT/BT
Per cabine di trasformazione MT/bt o cabine secondarie si intende il complesso di conduttori,
apparecchiature e macchine atte a trasformare la tensione fornita dalle linee di distribuzione a media
tensione (per esempio 15 kV) ai valori di alimentazione delle linee in bassa tensione (per esempio 220
o 380V). La cabina di trasformazione costituisce quindi un sistema elettrico collegato ad una linea di
media tensione (MT) e ad una linea di bassa tensione (bt).Vi sono poi le cabine di smistamento che
consentono di derivare da una o più linee di MT un maggior numero di linee ancora in MT, senza
operare alcuna trasformazione. In genere le cabine espletano entrambe le funzioni, di trasmissione e
smistamento. Tali cabine vengono generalmente realizzate all’esterno di edifici e in casi particolari,
per carenza di spazi, possono essere ubicate all’interno degli edifici stessi. Ai fini del presente lavoro
si sono utilizzate due tipologie di cabine tra le più diffuse sul territorio del Comune di Modena: cabina
box, dimensioni 4 m x 2.4 mX 2.7 m, e cabina Box medio di dimensioni di 4 m x 4 m X 2.8 m.
2) SPECIFICHE DEL SW PREVISIONALE UTILIZZATO
EFC-400LF, prodotto da FGEU GmbH e commercializzato da Narda Safety Test Solutions, è un
software utilizzato per il calcolo del campo elettrico e magnetico generato da linee per il trasporto di
corrente (linee aeree, cavi interrati), linee ferroviarie e cabine di trasformazione.
Il software prevede, al suo interno, librerie che contengono oggetti predefiniti, ad es. quadri elettrici,
trasformatori, cavi, ecc. Con EFC-400LF l’utente può anche creare nuovi oggetti in ambiente CAD
dando luogo così ad una libreria personalizzata da adattare alle proprie necessità. Caratteristica del
software è quella di permettere una gestione “libera” degli elementi costitutivi utilizzati in fase di
modellizzazione e quindi non basata sul concetto di “black-box” che può altrimenti causare un minor
controllo della elaborazione e dei risultati ottenuti.
La gestione numerica ed analitica dei fattori di schermatura applicabili agli elementi conduttivi, la
pesatura per le correnti di ritorno nei conduttori di terra e l’ottimizzazione delle fasi delle correnti
elettriche arricchiscono le potenzialità del software e lo rendono uno strumento dalle grandi
prestazioni tecniche e pratiche.
Il processo di costruzione di una cabina di trasformazione può essere suddiviso in alcuni passi
principali:
a) Digitalizzazione della planimetria orizzontale della cabina per standardizzare lo spazio: la
planimetria di sfondo può essere importata in diversi formati come BMP, DXF o immagine JPG;
b) Suddivisione logica dell’impianto in elementi costruttivi singolari: quadri di distribuzione di bassa
tensione, modello di trasformatore, collegamento di bassa tensione al trasformatore, alimentazione
media tensione del trasformatore. Generalmente vengono modellizzati anche i quadri di media
tensione qualora le correnti sul primario siano superiori a 50 A:
c) Costruzione degli elementi secondo b) e memorizzazione nella biblioteca per la loro riutilizzazione;
d) Posizionamento degli elementi costruttivi all’interno della proiezione orizzontale;
e) Realizzazione dell’impianto totale con collegamento degli elementi costruttivi;
f) Verifica della geometria totale;
g) Calcolo delle intensità di campo.
Sia la realizzazione dell’impianto che la verifica della geometria totale possono essere svolti in
viste tridimensionali come nei sistemi CAD.
3) METODOLOGIA DI INDAGINE
La procedura di misura utilizzata prevede la realizzazione, in corrispondenza delle sorgenti
elettromagnetiche significative poste all’interno della cabina (quadri di bassa e trasformatore), di n.5
misure sequenziali , partendo dalla distanza di 50 cm dal muro perimetrale della cabina fino a 5 metri
dalla stessa, mantenendo una velocità di percorrenza costante e riproducibile, in grado di campionare
un numero significativo di valori del campo d’induzione magnetica.
Di seguito si riporta la disposizione delle apparecchiature e dei conduttori relativamente ad una delle
cabine esaminate.
Quadri bt
Trasformatore
Alimentazione MT
Le misure del campo d’induzione magnetica sono state eseguite utilizzando lo strumento EMDEX II
avente una sensibilità minima di 0.01 µT sull’intervallo di frequenza da 40 a 800 Hz, al quale è stato
accoppiato il sistema LINDA (LINear Data Acquisition) costituito da una rotella distanziometrica in
grado di associare i valori misurati alla distanza percorsa ed alla direzione di spostamento. L’EMDEX
II una volta montato sulla rotella distanziometrica si trova ad un’altezza dal suolo di circa 80 cm e
pertanto tutte le misure sono state riferite a tale quota.
Tutte le misure relative alla presente indagine sono state effettuate seguendo la metodologia
indicata acquisendo il valore del campo d’induzione magnetica sui singoli assi e la risultante in
modalità broadband, comprendendo quindi anche il contributo di eventuali armoniche. Inoltre in
corrispondenza dei quadri di bassa tensione e del trasformatore di alcune cabine considerate è stata
effettuata, alla distanza di 50 e 100 cm dal muro perimetrale della cabina ed all’altezza di 80 cm dal
suolo, una misura di lunga durata al fine di valutare la variabilità temporale del campo d’induzione
magnetica.
In relazione alla casistica trattata, si ritiene che la condizione ideale, per poter effettuare un
confronto tra dati misurati e calcolati, possa essere rappresentata dall’individuazione di cabine con un
carico il più possibile stazionario. Nella realtà tale situazione è difficile da ottenere in quanto la
corrente circolante nelle cabine è strettamente legata alla richiesta dell’utenza che, secondo le
necessità del momento, può variare in continuazione. Per questo motivo il confronto è stato effettuato
sui valori medi ottenuti, sia per quanto riguarda il misurato che il calcolato.
Per ogni cabina esaminata e per ciascuna misura effettuata sono state rilevate mediante pinza
amperometrica le correnti all’ingresso dei quadri di bassa tensione ed all’uscita del trasformatore,
utilizzate in seguito come dato di input nel programma di calcolo. In questo modo sono stati verificati
sia i singoli valori misurati di campo d’induzione magnetica con le rispettive misure di correnti che i
valori medi ottenuti dalle cinque misure in sequenza con i relativi valori medi delle correnti misurate.
La presentazione dei risultati ottenuti viene fatta in riferimento ai valori medi.
Per quanto riguarda la modellizzazione dei cavi interrati di media tensione, in entra esci dalla
cabina, con correnti di verso opposto e intensità poco rilevanti (dell’ordine di 5-10 Ampère), il calcolo
previsionale ha evidenziato una scarsa influenza sui valori di campo magnetico. Si è ritenuto pertanto
di considerare nella valutazione del campo magnetico solo i cavi in uscita di bassa tensione,
escludendo, per semplicità di calcolo, i cavi di media. I quadri di bassa tensione ed il trasformatore
invece, sono determinanti nella stima/misura del campo di induzione magnetica generato dalle cabine
elettriche di trasformazione.
L’incertezza associata al calcolo del SW è stimata pari a ±10%, quella associata alle misure risulta
pari a ±16%, pertanto nei grafici seguenti vengono visualizzate le relative fasce di errore.
Di seguito sono riportati i risultati dei valori misurati e stimati relativamente alle cabine indagate:
Distanza
(m)
0.5
0.8
1.1
1.4
1.7
2.0
2.3
2.6
2.9
3.3
3.9
4.2
4.8
5.0
Cabina n. 601
Lato quadri
Lato trasf.
B mis
B stim
B mis
B stim
2.48
2.61
1.60
2.25
1.36
1.38
1.30
1.32
0.84
0.83
0.88
0.87
0.55
0.54
0.59
0.59
0.35
0.38
0.46
0.47
0.26
0.31
0.34
0.34
0.17
0.24
0.23
0.27
0.13
0.20
0.18
0.21
0.10
0.17
0.13
0.16
0.08
0.14
0.10
0.13
0.07
0.10
0.08
0.10
0.06
0.09
0.06
0.08
0.05
0.06
0.06
0.07
0.05
0.06
0.05
0.06
Cabina n.1472
Lato quadri
Lato trasf.
B mis
B stim
B mis
B stim
0.68
0.71
0.66
0.61
0.36
0.34
0.45
0.36
0.17
0.18
0.31
0.25
0.10
0.11
0.24
0.20
0.08
0.09
0.17
0.14
0.07
0.06
0.11
0.09
0.05
0.04
0.09
0.07
0.05
0.04
0.08
0.06
0.05
0.03
0.05
0.04
0.04
0.02
0.04
0.03
0.03
0.01
0.03
0.02
0.03
0.01
0.03
0.02
0.02
0.01
0.02
0.01
0.02
0.01
0.02
0.01
Cabina n. 1416
Lato trasf.
B mis
B stim
0.79
0.77
0.45
0.48
0.25
0.32
0.21
0.24
0.16
0.16
0.11
0.12
0.07
0.09
0.06
0.07
0.05
0.06
0.04
0.05
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.02
0.03
0.02
Nota: le distanze sono ortogonali alla parete esterna della cabina. I valori di B sono in µT.
Lo studio effettuato ha evidenziato una buona sovrapposizione tra i valori misurati e quelli calcolati
con uno scostamento quasi sempre contenuto entro gli errori considerati eccetto per la cabina n. 601
sul lato trasformatore dove tale scostamento risulta più marcato sino alla distanza di 0.80 metri dalla
parete per poi rientrare. Il valore di 0.2 µT viene raggiunto, utilizzando i calcoli di EFC-400LF con le
correnti misurate, a distanze comprese tra 1.1 ÷2.7 metri sul lato quadri bassa tensione e tra 1.4 ÷2.7
metri sul lato trasformatore. Si fa presente che il carico delle tre cabine indagate al momento delle
misure era rispettivamente pari al 72 % (n. 601), 17 % (n.1472) e 15 % (n. 1416) del carico massimo.
Le stime effettuate considerando invece le correnti massime disponibili in ogni cabina hanno
evidenziato, in relazione al valore di 0.2 µT, le seguenti distanze massime:
cabina Box medio n° 601 con trasformatore da 250 kVA e corrente di 361 A
cabina Box medio n° 1472 con trasformatore da 250 kVA e corrente di 361 A
cabina Box n° 1416 con trasformatore da 400 kVA e corrente di 578 A
distanza di 3.4 metri
distanza di 3.5 metri
distanza di 4.5 metri
Non si è rilevata una sostanziale differenza sulle distanze ottenute dovute all’altezza di calcolo,
compresa tra 0.5 e 1.7 metri. La differenza tra le distanze ottenute delle cabine n. 601 e n. 1472 è da
attribuire presumibilmente alla diversa configurazione geometrica delle sorgenti elettromagnetiche
(quadri bt e trasformatore).
Nei grafici seguenti vengono visualizzati gli andamenti dei dati misurati e calcolati di una cabina
indagata.
Cabina 1472 lato quadri bt
1,0
1.0
0,8
0.8
0,6
B (µT)
B (µT)
Cabina 1472 lato trasformatore
0,4
0.6
0.4
0,2
0.2
0,0
0.0
0,5 0,8 1,1 1,7 2,0 2,3 2,9 3,6 3,9 4,5 4,8
0.5 0.8 1.1 1.4 2.0 2.3 2.9 3.3 3.9 4.2 4.8 5.1
Distanza da parete in metri
Distanza da parete in metri
misurato medio
misurato medio ± 16%
calcolato medio
calcolato medio ± 10%
Nei grafici e tabelle sottostanti vengono riportati gli andamenti temporali del campo d’induzione
magnetica in µT ed i valori statistici acquisiti da misure in continuo di durata di 15 minuti circa
rispettivamente a 0.50 metri dalla parete trasformatore e dalla parete quadri bt dalle quali si rileva una
variabilità significativa.
Min
Max
Medio
Dev.St
Mediana
Min
Max
Medio
Dev.St
Mediana
0.82
1.39
1.00
0.09
0.98
0.42
1.07
0.69
0.11
0.67
1.1
1.4
1.0
1.3
Magnetic F ield (uT )
M a g n e tic F ie ld (u T )
0.9
1.2
1.1
0.8
0.7
1.0
0.6
0.9
0.5
0.4
0.8
11:30 AM
Jul/14/2005
11:28:41 AM
11:35 AM
12:05 PM
11:40 AM
Time
cabina n. 1472 lato trasformatore
Jul/14/2005
11:42:33 AM
Jul/14/2005
12:00:29 PM
12:10 PM
Time
12:15 PM
Jul/14/2005
12:17:03 PM
cabina n. 1472 lato quadri bt
C) CONCLUSIONI
Tutte le misure e simulazioni effettuate hanno evidenziato che le aree più critiche sono quelle nelle
vicinanze del trasformatore e dei quadri di bassa tensione.
E’ risultata determinante la conoscenza della disposizione spaziale delle apparecchiature elettriche
all’interno della cabina. Come ricordato, il software EFC-400 è in grado di importare planimetrie di
sfondo come disegni in scala della cabina e dei suoi elementi. La costruzione geometrica della cabina
avviene quindi inserendo opportuni blocchi, già predisposti in apposite biblioteche relative alle
apparecchiature di interesse, negli spazi a loro dedicati che devono essere il più possibile conformi
alla realtà
Per sottolineare l’importanza di quanto sopra esposto, riportiamo i risultati di una simulazione di
prova, eseguita posizionando il trasformatore a due diverse distanze, 30 cm (calcolo 1) e 15 cm
(calcolo 2), dalla parete interna di una cabina tipo box medio, nelle stesse condizioni di carico.
B (µT)
Cabina tipo box medio
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Distanza dalla cabina in m
Calcolo 2
Calcolo 1
La vicinanza o meno della sorgente di campo, nella fattispecie il trasformatore, determina valori di
induzione magnetica B con differenze che vanno da un 23%, per calcoli effettuati a 0.5 metri di
distanza dalla parete verso l’esterno, ad un 15% per calcoli a 1 m.
Per quanto riguarda i quadri di distribuzione in bassa tensione, poiché generalmente essi sono
installati sulle pareti interne della cabina, diventa importante conoscerne l’altezza dal suolo.
Si può senz’altro concludere che quanto più è confrontabile la geometria del sistema simulato con
quella reale, tanto maggiore sarà il grado di affidabilità con cui il SW EFC-400 potrà simulare la
situazione reale per quanto riguarda i livelli di induzione magnetica generata.
In questo senso il SW può essere un valido strumento per effettuare delle stime per le distanze di
rispetto, soprattutto nel caso di valori limite piuttosto cautelativi come quelli indicati dalla Normativa
della Regione Emilia Romagna (L.R. 30/2000 e successive modifiche), nella quale per nuove
costruzioni e/o edificazioni occorre fare riferimento ai valori di 0.2 e 0.5 µT.
BIBLIOGRAFIA
- D.P.C.M. 8 luglio 2003 "Fissazione dei limiti di esposizione, dei valori di attenzione e degli obiettivi di qualità per
la protezione della popolazione dai campi elettrici e magnetici alla frequenza di rete (50 Hz) generati dagli
elettrodotti", G.U. n°200 del 29.08.03;
- L.R. 31 ottobre 2000 n°30 e successive modificazioni "Norme per la tutela della salute e la salvaguardia
dell'ambiente dall'inquinamento elettromagnetico", B.U.R. Emilia Romagna 3 novembre 2000, n. 154;
- Deliberazione di Giunta Regionale 20 febbraio 2001, n. 197 “Direttiva per l’applicazione della L.R. 31/10/2000, n.
30 recante Norme per la tutela della salute e la salvaguardia dell’ambiente dall’inquinamento elettromagnetico”,
B.U.R. 16 marzo 2001, n. 40;
- Guida CEI 211-6 “Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettrici e magnetici nell’intervallo di
frequenza 0 Hz – 10KHz, con riferimento all’esposizione umana” 2001-01 Ediz. 1 Fascicolo 5908;
- Guida CEI 211-4 “Guida ai metodi di calcolo dei campi elettrici e magnetici generati da linee elettriche” 1996-12
Ediz. 1 Fascicolo 2840;
- Guida CEI 11-35 "Guida per l'esecuzione di cabine elettriche MT/bt" 2004-12 Ediz. 2 Fascicolo 7491;
- “Esposizione al campo magnetico generato da cabine elettriche MT/bt“ di G. Licitra, F. Francia, N. Colonna –
U.O. Fisica Ambientale Dipartimento ARPAT di LIvorno;
- “Diffusione delle cabine per la trasformazione dell’energia elettrica a frequenza industriale nella regione Emilia
Romagna e valutazione strumentale dei livelli di campo elettromagnetico” di Arpa Emilia Romagna Sezione di
Reggio Emilia – Anno 2000.
