Valutazione del campo di induzione magnetica prodotto dalla linea ferroviaria ad Alta Velocità Lucca G. Sirti S.p.A., Via Stamira d'Ancona 9, 20127 Milano, [email protected] Moro M. Sirtisistemi S.p.A., Via dei Valtorta 52, 20127 Milano, [email protected] Pagani A. Sirti S.p.A., Via Stamira d'Ancona 9, 20127 Milano, [email protected] Zucchelli L. Sirti S.p.A., Via Stamira d'Ancona 9, 20127 Milano, [email protected] Riassunto L'articolo presenta i risultati di una campagna di misure finalizzata a determinare i livelli di campo di induzione magnetica a lato della linea ferroviaria ad Alta Velocità 25kV-50Hz; vengono inoltre mostrati i risultati di alcune simulazioni volte a determinare il valore massimo di campo generato nelle immediate vicinanze della linea. A) INTRODUZIONE La progettazione, costruzione e progressiva attivazione nel nostro Paese della linea ferroviaria ad Alta Velocità (AV) 25kV-50Hz pone la necessità della valutazione, ai fini della esposizione umana, dei livelli di campo magnetico a 50Hz generato da questa struttura; da questo punto di vista, si tratta di una novità in quanto quasi tutto il resto della rete ferroviaria nazionale è esercito in corrente continua. Affrontando questo problema, se da un lato si hanno delle similitudini (soprattutto in termini geometrici) con le linee elettriche, che in Italia sono esercite a 50Hz, dall'altro abbiamo delle profonde differenze legate all'andamento temporale delle correnti e quindi dei campi magnetici generati. Infatti, mentre le variazioni di corrente in una linea elettrica sono generalmente significative in intervalli di tempo dell'ordine di ore, nel caso di una linea ferroviaria si hanno grosse variazioni in intervalli di tempo dell'ordine di frazioni di minuti o addirittura secondi e che sono legate ad un certo numero di fattori quali: assorbimento da parte del/i locomotore/i presente/i in linea; posizione del/i locomotore/i; velocità del treno Il campo di induzione magnetica generato da una linea ferroviaria è quindi un fenomeno di tipo intermittente, con un certo grado di irregolarità ed è strettamente legato anche al cadenzamento dei treni; pertanto una sua corretta valutazione, ai fini della esposizione umana, deve necessariamente tener conto dell' aspetto di grande variabilità temporale. A fronte di queste considerazioni e per fare quindi una prima valutazione dei campi prodotti dalla linea AV, è stata effettuata, nei giorni 30 novembre e 1 dicembre 2005, una campagna di misure lungo la tratta Roma-Napoli; sebbene le misure siano state effettuate in una fase che possiamo definire ancora di pre-esercizio e test per l'impianto (e come tale caratterizzata da modalità di marcia dei treni e volumi di traffico ben differenti dalla situazione che si avrà a regime), riteniamo comunque che le indicazioni ottenute da esse ottenute siano comunque sufficientemente rappresentative della situazione reale che si avrà con la linea in condizioni di normale esercizio. B) BREVE DESCRIZIONE DELLA LINEA AV Questo paragrafo è dedicato ad una descrizione succinta delle caratteristiche della linea AV che sono di interesse diretto per il seguito dell'articolo. La linea AV è una linea a doppio binario (Pari e Dispari) costituita da 14 conduttori la cui tipica disposizione, in sezione, è mostrata in Fig.1; il feeder unitamente alla coppia fune portante e filo di contatto sono i conduttori di alimentazione (posti rispettivamente alla tensione di -25kV e 25kV) mentre rotaie, corde di terra e dispersori (che sono in parallelo elettrico), insieme al terreno, sono i conduttori di ritorno per la corrente; a fini puramente esplicativi, essi possono essere schematizzati come un unico conduttore di ritorno equivalente. Figura 1 Feeder D (-6.53; 8.00) Feeder P (6.53; 8.00) Y Corda terra D (-6.07; 5.50) Rotaia Esterna D (-3.26; 0.01) Fune Portante D (-2.50; 6.55) Fune Portante P (2.50; 6.55) Filo Contatto D (-2.50; 5.30) Filo Contatto P (2.50; 5.30) Rotaia Interna D (-1.74; 0.01) Rotaia Interna P (1.74; 0.01) Corda terra P (6.07; 5.50) Rotaia Esterna P (3.26; 0.01) X Dispersore D (-4.60; -0.96) Dispersore P (4.60; -0.96) Vista in sezione dei conduttori della linea AV In senso longitudinale, ogni tratta AV è composta da tante sezioni elementari (generalmente lunghe circa 25-30km) ognuna alimentata da una sottostazione e composta da due celle (generalmente di lunghezza 12-14km) ciascuna delimitata agli estremi da un autotrasformatore che ha gli estremi connessi a feeder e filo di contatto e punto centrale alle rotaie (ovvero al conduttore di ritorno equivalente); a seconda della posizione del locomotore nella cella e, a seconda della cella occupata, si hanno le distribuzioni di corrente mostrate nella Fig.2. Si noti, in particolare, il sezionamento dei conduttori di alimentazione (feeder e linea di contatto) che rende indipendente, dal punto di vista dell'alimentazione e della circolazione delle correnti, una sezione da quella/e adiacente/i. Figura 2 – Distribuzione delle correnti nella linea AV locomotiva che assorbe corrente I sottostazione con trasformatore AT/MT filo di contatto locomotiva che assorbe corrente I sottostazione con trasformatore AT/MT filo di contatto I I conduttore di ritorno equivalente conduttore di ritorno equivalente sezionamento sezionamento feeder cella A cella B feeder cella A cella B Schematizzazione, in termini qualitatitivi, della differente distribuzione di corrente nella sezione a seconda che il treno sia in cella A o B. Quello che è importante notare in Fig.2 è che la distribuzione di corrente tra i conduttori della linea di trazione è fortemente influenzata dalla corrente assorbita dal locomotore e dalla sua posizione; si tenga poi presente che in una sezione elementare, su uno stesso binario potrebbero essere presenti due locomotori purchè distanziati di almeno 25km. Per esempio, quando il treno si trova nella cella A, i conduttori nella cella B, in prima approssimazione non sono percorsi da corrente e pertanto un recettore posto in corrispondenza della cella B non è soggetto a campo magnetico fintantochè il treno non entra nella cella stessa. Differente è la situazione di un recettore posto in corrispondenza della cella A che è sempre soggetto ad un campo magnetico fintantochè il treno transita nella sezione. Se nessun treno è presente nella sezione, non si ha circolazione di corrente e quindi nemmeno campo magnetico; da qui si capisce anche l'influenza che il cadenzamento dei treni ha sul fenomeno: più è lungo l'intervallo di tempo tra i transiti di due treni successivi, più è lungo il periodo di tempo senza campo magnetico. Per quanto riguarda la linea AV, essa è compatibile, da progetto, con cadenzamenti di 5 minuti, tuttavia valori realistici di esercizio si attestano sui 15 minuti. La Fig.2 serve a dare una idea del fenomeno, ma se si intende calcolare la distribuzione delle correnti sui conduttori in maniera esatta, occorre rappresentare la linea mediante una rete elettrica complessa. Un approccio conveniente per descrivere una linea di trazione è quello di utilizzare il modello multiconduttore che è largamente descritto in letteratura (si veda ad esempio [1]). Una volta nota la corrente su ogni conduttore è poi possibile calcolare il campo di induzione magnetica mediante la relazione di Biot e Savart in accordo con quanto esposto ad esempio in [2]. Aggiungiamo poi che in taluni casi, le celle costituenti una sezione sono tre anziché due; in tal caso la distribuzione qualitativa delle correnti sui conduttori è simile a quella descritta nella Fig. 2. C) DESCRIZIONE DEL SITO DI MISURA Il sito di misura era situato sul piazzale del PPD (Posto di Parallelo Doppio) a Zagarolo lungo la tratta Roma-Napoli; la sezione elementare, che in questo caso era per l'appunto costituita da tre celle, andava da Salone a Colleferro con alimentazione dal lato di Salone e ciascuna delimitata da un autrasformatore; quindi la prima cella era tra Salone e Zagarolo la seconda cella tra Zagarolo e Labico e la terza cella tra Labico e Colleferro; in pratica, la postazione di misura era situata nella seconda cella subito dopo l'autotrasformatore centrale che fa da confine tra prima e seconda cella. Le lunghezze delle tre celle erano rispettivamente di circa 10.5km, 12.5km e 11km. E' importante notare che nel sito a nostra disposizione il campo magnetico presente non è solo quello generato dalle correnti fluenti nei 14 conduttori della linea di trazione, ma è prodotto anche da 4 coppie di conduttori (andata e ritorno) che collegano i due feeder e le due linee di contatto ai terminali dei due autotrasformatori (uno lato sud e l'altro lato nord) posti a lato della sede ferroviaria; per tale ragione, il campo in quella postazione ha una intensità superiore a quella che ci può attendere, a parità di distanza dall'asse della sede ferroviaria, ''lungo linea'' cioè lontano da punti singolari quali ad esempio gli autotrasformatori. Pertanto i risultati delle misure che presentiamo sono sicuramente cautelativi rispetto alla situazione ''lungo linea''. Il banco di misura era costituito da un sensore isotropico collegato, via fibra ottica, ad un PC portatile che registrava il valore di campo ogni secondo; il sensore era posto ad una altezza di 0.6m circa e ad una distanza di 8.6m dall'asse del binario più vicino, ovvero 11.1m dall'asse della linea. Come già menzionato in precedenza, le misure sono state effettuate quando la linea era ancora in fase di test e pertanto, rispetto a tutte le misure effettuate, è stato necessario operare una selezione conservando solo quei dati acquisiti in corrispondenza di quelle corse sufficientemente regolari, senza interruzioni (perlomeno nella sezione di nostro interesse) e che fossero abbastanza rappresentative della situazione di normale esercizio della linea. Si sono avuti quindi un certo numero di casi in cui, per intervalli di tempo di qualche minuto, l' assorbimento di corrente e la velocità del treno si sono mantenuti costanti. (I valori massimi rilevati sono stati pari a 390A e 250km/h). Durante le misure, si è sempre verificato il caso di un solo treno presente nella sezione SaloneColleferro; le acquisizioni partivano appena prima che il treno entrasse nella prima cella e terminavano subito dopo la sua uscita dalla terza cella1; i transiti del treno, e quindi anche le singole misure, hanno avuto una durata di 7-10 minuti. Le acquisizioni nel corso del primo giorno sono state effettuate nella banda 30Hz-2kHz mentre il secondo giorno sono state limitate alle frequenza fondamentale di 50Hz; l'analisi armonica delle misure del primo giorno mediante Fast Fourier Transform ha comunque confermato, in accordo con le previsioni, la netta proponderanza della componente a 50Hz. D) RISULTATI DELLE MISURE 1) ANDAMENTO DEL CAMPO DURANTE IL TRANSITO DEL TRENO In questo sottoparagrafo presentiamo alcuni esempi di registrazione di campo di induzione magnetica durante il transito del treno nella sezione Salone-Colleferro. Due esempi di misure sono mostrati in Fig.3 e sono relativi rispettivamente ad una corsa sud-nord e ad una corsa nord-sud. 1 Si aveva tale informazione grazie al fatto che uno di noi era costantemente al Posto Centrale Satellite di Roma termini e conosceva in tempo reale, da monitor, posizione e velocità del treno istante per istante su tutta la tratta Roma-Napoli. Figura 3 – Esempi di registrazione di campo di induzione magnetica al passaggio del treno B [ µT] 2 1.6 1.8 B [µT] 1.4 transito a Salone 1.6 1.4 transito a Labico 1.2 transito a Salone transito a Labico 1 1.2 transito a Colleferro 1 transito a Colleferro 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 transito a Zagarolo (banco di misura) 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 0.2 transito a Zagarolo (banco di misura) 8 9 10 11 0 0 1 2 t [min] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t [min] Figura a sinistra: corsa in direzione sud-nord, Figura a destra: corsa in direzione nord-sud In relazione ai grafici della Fig.3 è utile osservare i seguenti punti: Il campo assume i valori di fondo quando il treno è al di fuori della sezione Salone-Colleferro; questo a conferma del fatto che il campo esiste solo in corrispondenza del passaggio del treno nella sezione; all'interno della cella Zagarolo-Labico, ove è situata la postazione di misura, il campo aumenta (diminuisce) rapidamente man mano che il treno si avvicina (allontana) a essa; il campo è pressochè costante quando il treno si trova in una delle altre due celle (ovvero Salone-Zagarolo e Labico-Collerro); il basso valore di campo rilevato in corrispondenza del passaggio del treno davanti al banco di misura è spiegabile mediante un effetto di schermo offerto dalla grossa massa metallica rappresentata dal treno stesso; questo effetto è stato notato in tutte le misure e permane solo per quei pochi secondi legati al transito del treno in corrispondenza della postazione. 2) VALUTAZIONE STATISTICA DEI LIVELLI DI CAMPO I grafici mostrati nella Fig.3 hanno un interesse di tipo più che altro esplicativo in quanto mostrano come i livelli di campo nelle immediate adiacenze della linea AV siano estremamente variabili nel tempo, con repentine escursioni, e soprattutto come i valori massimi perdurino per intervalli di tempo molto limitati; proprio per tali ragioni essi non sono direttamente utilizzabili per fare una valutazione della esposizione umana al campo prodotto dalla linea AV. A tale scopo, è quindi molto più significativo fare una analisi statistica delle misure. Pertanto, dopo aver selezionato solo quelle misure ottenute in corrispondenza di corse sufficientemente ''regolari'' del treno, affinchè esse fossero rappresentative della condizione di funzionamento normale della linea AV, abbiamo ottenuto una popolazione di 4380 valori relativi ad un tempo totale di registrazione di 4380s (ovvero 73 minuti). I risultati dell'analisi sono mostrati nei grafici di Fig.4 che presentano la medesima informazione in due modi differenti. In particolare mostriamo sia l'istogramma delle frequenze relative, ovvero la percentuale dei campioni che giacciono in un intervallo compreso tra i valori di campo tra B e B+∆B, sia la distribuzione cumulativa complementare ovvero la percentuale dei campioni che superano il valore di campo mostrato in ascissa. Il diagramma delle frequenze relative può essere anche interpretato come la percentuale di tempo, rispetto al tempo totale di misurazione, in cui il campo assume valori compresi tra B e B+∆B. Parimenti, la distribuzione cumulativa complementare, può essere interpretata come la percentuale del tempo totale di misura, caratterizzata da livelli di campo B superiori al valore in ascissa. In base ai grafici mostrati in Fig.4, possiamo notare come la maggior parte dei valori misurati stia nell'intervallo compreso tra 0µT e 1µT e che solo circa 3% di essi superi il valore di 3µT. Equivalentemente si può dire che su un totale di 73 minuti solo per circa 130 secondi il campo ha superato il valore di 3µT. Infine, il valore mediano della distribuzione mostrata nella Fig.4 è pari a 0.64µT Figura 4 – Analisi statistica dei valori di campo misurati 100 95 90 Percentuale di campioni che superano il valore in ascissa Percentuale di campioni 25 20 15 10 5 0 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 B [ µT] 3.2 3.4 3.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 B [µT] Figura a sinistra: percentuale di campioni compresi nei differenti intervalli di valori definiti in ascissa. Figura a destra: percentuale di valori che superano il valore in ascissa. E' utile mettere in evidenza come questa analisi statistica sia stata fatta considerando un tempo di misura pari a 73 minuti cioè solo quando il treno era effettivamente presente nella sezione Salone – Colleferro; se avessimo esteso la misura anche a periodi temporali in cui non si aveva alcun treno nella suddetta sezione, avremmo ottenuto un numero di campioni ai livelli del valore di fondo di gran lunga superiore. Da questa osservazione, si può concludere che l'analisi effettuata è sicuramente cautelativa. E) RISULTATI DI ALCUNE SIMULAZIONI A completamento delle misure effettuate, abbiamo ritenuto utile svolgere anche alcune simulazioni al fine di valutare quali siano i valori massimi che si possono raggiungere a varie distanze laterali dalla linea AV. Mettiamo in evidenza come i valori che ora presentiamo siano calcolati facendo anche una serie di ipotesi cautelative che possiamo così sintetizzare: massimo assorbimento di corrente da parte del locomotore (390A); calcolo del campo valutato in prossimità dell'autotrasformatore che separa due celle ove a parità di altri parametri si hanno campi più elevati; nel caso di due treni presenti contemporaneamente nella stessa sezione e su binari differenti, essi sono stati considerati in posizione di affiancamento ovvero alla stessa progressiva chilometrica. E' importante osservare che tali configurazioni di calcolo assunte per la linea possono permanere solo per intervalli di tempo molto limitate e quindi anche i grafici che vengono presentati nel seguito non rappresentano affatto una situazione permanente bensì una situazione temporanea che può perdurare al più solo alcuni secondi. Nel caso di un cadenzamento ideale e perfetto del traffico ferroviario di Tcad minuti, la situazione rappresentata si ripeterebbe2 quindi ogni Tcad minuti nell'arco delle 24 ore. Rammentiamo che un valore realistico per Tcad è di 15 minuti. Per poter fare il calcolo del campo di induzione magnetica, è stato prima necessario calcolare la distribuzione di corrente sui vari conduttori della linea AV; questo è stato fatto rappresentando la linea AV mediante un modello di linea multiconduttore [1] che, per altro, è stato validato anche da precedenti misure in campo [3]. Utilizzando quindi i dati di progetto a nostra disposizione abbiamo calcolato il valore del campo di induzione magnetica in funzione della distanza laterale dall'asse della linea AV; i calcoli sono stati fatti immaginando uno o due treni presenti nella sezione e posizionati appena prima e appena dopo l'autotrasformatore; anche la posizione del recettore, lungo linea, è stata considerata appena prima e appena dopo l'autotrasformatore. Il campo è stato calcolato ad 1m di altezza. La Fig. 5 mostra i risultati di tale calcolo rispettivamente nel caso di un treno e due treni nella sezione; dai grafici si vede immediatamente che in entrambi i casi, oltre i 15m dall'asse della linea, il campo (ricordiamo come valore massimo e temporaneo) è sempre inferiore 3µT. 2 A parità di tutte le altre condizioni e, in particolare, in caso di eguale assorbimento di corrente. Figura 5 – Valori calcolati (massimi e temporanei) del campo di induzione magnetica in funzione della distanza laterale. 100 100 D A B [µT] B [µT] D 10 3µT 1 A 10 3µT 1 B B 0.1 0.1 C 0.01 50 45 40 35 30 25 20 15 10 − 50 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Distanza laterale dall'asse della linea [m] 50 0.01 C 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 − 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Distanza laterale dall'asse della linea [m] Figura a sinistra: caso con un solo treno nella sezione. Figura a destra: caso con due treni nella sezione. Nei grafici di Fig.5 abbiamo considerato quattro casi: caso A: treno/i circa 1200m prima dell'autrasformatore e recettore 200m prima dell'autotrasformatore; caso B: treno/i circa 1200m prima dell'autrasformatore e recettore 260m dopo l'autotrasformatore; caso C: treno/i circa 500m dopo l'autrasformatore e recettore 200m prima dell'autotrasformatore; caso D: treno/i circa 500m dopo l'autrasformatore e recettore 260m dopo l'autotrasformatore. Si può osservare come i casi peggiori siano quando il/i treno/i sia/siano nella stessa cella in cui è posizionato il recettore (casi D e A mostrati nei grafici di Fig.5 con linee a tratto continuo). F) CONCLUSIONI Le misure di campo di induzione magnetica a 50Hz effettuate nelle immediate adiacenze della linea ferroviaria AV (circa 11.1m dall'asse della linea) hanno portato a valori che, solo per circa il 3% del tempo di osservazione, sono superiori a 3µT; è importante rilevare come questo dato sia stato ottenuto considerando unicamente quegli intervalli di tempo in cui il treno era presente nella sezione e quindi poteva essere generato il campo. Se la stessa misura fosse stata fatta considerando anche intervalli di tempo in cui non si avevano treni nella sezione, la percentuale di campioni superiori a 3µT sarebbe stata ancora più piccola. Da questo punto di vista, possiamo affermare che i risultati ottenuti sono cautelativi. Infine, i risultati di alcune simulazioni, fatte con ipotesi di tipo peggiorativo, mostrano che i valori massimi (e temporanei) di campo sono inferiori a 3µT per distanze superiori a 15m dall'asse della linea. Bibliografia [1] [2] [3] ITU-T: ''Directives concerning the protection of telecommunication lines against harmful effects from electric power and electrified railway lines'', Vol. III, ITU-T, Geneva, 1989. Norma CEI 211-4: ''Guida ai metodi di calcolo dei campi elettrici e magnetici generati da linee elettriche'', CEI, 1996. G. Lucca, M. Moro, A. Pagani, L. Zucchelli: ''Voltages and Currents Distribution along an A.C. Railway Line: Comparison between Measurements and Calculations'', Proc. of 16th Int. Zurich Symp. and Technical Exhibition on Electromagnetic Compatibility – Zurich (Switzerland) Feb. 2005. 50