Valutazione del campo di induzione magnetica

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:
ƒ assorbimento da parte del/i locomotore/i presente/i in linea;
ƒ posizione del/i locomotore/i;
ƒ 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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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.
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