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Protezione contro i fulmini: aggiornamenti normativi

Prendo lo spunto della recente pubblicazione della Guida CEI 81-29:2020-11 per presentare un aggiornamento, a mio parere indispensabile, della normativa inerente la "Protezione contro i fulmini" e far meglio conoscere alcuni concetti non ancora recepiti per mancanza di un accordo internazionale tra i normatori.

Innanzi tutto la guida citata reca il titolo "Linee Guida per l'applicazione delle Norme CEI EN 62305" sostituisce dal 01-12-2020 (dopo la pubblicazione della CEI 81-29;EC) la precedente analoga CEI 81-29:2020-05 che era risultata pregna di refusi editoriali.

L'attuale principale normativa di riferimento per la protezione contro i fulmini è la serie di norme CEI EN 62305:2013-02 suddivisa in n. 4 parti e precisamente:

  • Parte 1. Principi generali
  • Parte 2. Valutazione del rischio
  • Parte 3. Danno materiale alle strutture
  • Parte 4. Impianti elettrici ed elettronici nelle strutture

La Guida 81-29 al punto 2.2 chiarifica che il valore di NG (numero medio di fulmini per km2 per anno), da utilizzare dal 01-05-2020 è ottenibile dalle reti di localizzazione di fulmini al suolo (LLS) facendo riferimento alla Norma CEI EN IEC 62858:2020-05 (disponibile in lingua inglese) essendo stata dal 01-06-2020 abrogata (81-30;Ab) la CEI EN 62858:2016 (CEI 81-30) e prima ancora dal 30-06-2014 (81-3;Ab) la più nota CEI 81-3:1999 che conteneva i valori tabellati di NG di tutti i comuni italiani.

Essa introduce delle note esplicative ai corrispondenti articoli della norma europea dovute alla pubblicazione nel novembre 2013 di errata corrige (rif. 62305-1-2-3-4/Ec).

Particolare importanza in questo documento è l'introduzione del concetto di frequenza di danno F che risulta lo strumento principale per accertare se e quali misure di protezione siano necessarie per ridurre, entro limiti prefissati, il numero annuo delle avarie che il fulmine causa per sovratensioni alle apparecchiature dell'impianto elettrico.

Stabilire la frequenza di danno F risulta basilare per la protezione degli impianti interni poiché è stato constatato che la maggior parte dei danni causati dal fulmine riguarda le sovratensioni che danneggiano le apparecchiature e di conseguenza la frequenza di danno F può essere definita anche come la frequenza con cui si verifica una perdita economica nella struttura da proteggere.

Per ridurre la frequenza di danno F è necessario proteggere le apparecchiature contro le sovratensioni in modo che la frequenza di danno F sia inferiore a quella tollerabile FT (F<FT) altrimenti si dovrà ricorrere a misure di protezione che il progettista/installatore potrà ricercare facendo riferimento sia alla già citata Norma CEI EN 62305 sia alla Norma CEI 64-8:2012-06. Si ricorda che al momento (Gen 2021) è in vigore la VII edizione della Norma integrata con le n.5 varianti già pubblicate, facendo particolare riferimento per l’argomento specifico alla 64-8;V5:2019-02.

La frequenza di danno tollerabile FT è il massimo valore di frequenza di danno che può essere tollerato dagli impianti interni della struttura da proteggere. Il valore di FT può essere unico per tutti gli impianti interni della struttura o differenziato rispettivamente per: zone, singolo impianto interno, parte di un impianto interno, singola apparecchiatura dello impianto interno e deve essere stabilito dal proprietario o dal gestore della struttura in base ad elementi concreti (es. servizio svolto, vita attesa degli impianti interni, possibilità e facilità di interventi e riparazioni e conseguenti costi). La guida suggerisce un valore di FT di 0,1 (un danno ogni 10 anni) ma l’utilizzatore può definire un diverso valore che dovrebbe in ogni caso essere inferiore ad 1 (un danno per anno).

In questo articolo vorrei soprattutto evidenziare le nuove modalità di calcolo della frequenza di danno (Fx = Nx x Px) rammentando che nella old edizione (81-29:2014-02) ci si riferiva a danno alla struttura/zona ed al suo contenuto mentre nella new edizione ci si sofferma sul danno per sovratensione sulla apparecchiatura/e dello impianto interno.

La frequenza di danno si calcola come esplicitato nello Allegato A partendo dalle frequenze parziali di danno in funzione del punto di impatto del fulmine (sorgenti di danno) e cioè:

  • FS1 - [FC]: dovuta a sovratensioni per fulmini sulla struttura (sorgente S1)
  • FS2 - [FM]: dovuta a sovratensioni per fulmini vicino alla struttura (sorgente S2)
  • FS3 - [FW]: dovuta a sovratensioni per fulmini sulle linee entranti nella struttura (sorgente S3)
  • FS4 - [FZ]: dovuta a sovratensioni per fulmini vicino alle linee entranti nella struttura (sorgente S4)

Nota: tra [ ] ho indicato le frequenze riferite alla denominazione propria delle componenti di rischio.

La frequenza di danno F dell’apparecchiatura è la somma delle frequenze parziali dei danni relative alle varie sorgenti di danno:

  • F = FS1 + FS3 + FS4 per i circuiti collegati ad una linea esterna all’edificio non schermata (in realtà molto comune)
  • F = FS1 + FS2 per i circuiti stand-alone o collegati ad una linea esterna all’edificio tramite un’interfaccia isolante.

Per il calcolo di Nx e Px bisognerà fare riferimento rispettivamente allo Allegato A ed allo Allegato B della CEI EN 62305-2 ed individuare con l’aiuto della Tab.6 i parametri necessari:

  • ND e PC per il calcolo di FS1
  • NM e PM per il calcolo di FS2
  • NL,NDJ e PW per il calcolo di FS3
  • Nl e PZ per il calcolo di FS4

Ove NDNMNLNl sono il numero di eventi pericolosi all’anno mentre PCPMPW e PZ sono la probabilità di danno alla struttura per il danno D3 “Guasti negli impianti elettrici ed elettronici” rispettivamente per le n. 4 sorgenti di danno S1 – S2 – S3 – S4.

Necessita tener ben presente che il numero di eventi pericolosi all'anno NX è direttamente proporzionale al valore di NG già sopra citato mentre il valore di PX interessato è direttamente proporzionale a PSPD che è la probabilità che una sovratensione danneggi un’apparecchiatura protetta da un sistema di SPD come più avanti illustrato.


Sistema di SPD

Un sistema di SPD ha il compito, in base al livello di protezione (LPL) di:

  • portare senza alcun danneggiamento la corrente di fulmine prevista nel suo punto d’installazione
  • limitare la sovratensione all’ingresso dell’apparecchiatura da proteggere ad un valore non superiore alla sua tensione nominale di tenuta ad impulso (UW).

La probabilità PSPD dipende dalle probabilità:

  • PQ che il valore di carica associata alla corrente che fluisce attraverso l’SPD nel punto d’installazione superi quello tollerato dal SPD;
  • PUp che il valore della tensione residua sul SPD, relativo alla corrente che lo attraversa, superi il livello di protezione richiesto per la protezione dell’apparecchiatura,

PSPD = 1 - (1-PQ) x (1-PUp)

in cui PQ è riferito ai primi colpi positivi e negativi dei fulmini e PUp ai colpi successivi dei fulmini negativi e può essere semplificata nella seguente:

PSPD = PQ+ 0,9 x PUp

a condizione che sia PQ x PUp << 1

I valori di PSPD sono ricavati dalla Tab. B.3 della CEI EN 62305-2 in base allo LPL presente nella struttura per cui se i valori calcolati di PSPD con la formula c.s. risultano superiori possono essere utilizzati se sono sufficienti per ridurre il rischio R o la frequenza del danno F al di sotto del limite tollerabile. Valori calcolati di PSPD inferiori sono possibili se i valori di Iimp e In per cui sono stati progettati gli SPD sono superiori a quelli richiesti per LPL1.

La scelta di un sistema di SPD che abbia una data probabilità PSPD è una questione complessa che può richiedere l’uso di tecniche di simulazione e di programmi di calcolo.

Dipende infatti da:

  • valore della PSPD richiesta
  • tensione nominale di tenuta ad impulso dell’apparecchiatura da proteggere UW
  • sorgente di danno (S1, S2, S3, S4)
  • caratteristiche della linea esterna e del circuito a cui l’apparecchiatura è collegata
  • tipo di SPD (innesco, limitazione, combinato) costituente il sistema di SPD
  • caratteristica U/I degli SPD del sistema

La guida 81-29 mette a tal proposito a disposizione info ed una serie di grafici per la scelta semplificata di un sistema di SPD con PSPD conforme alla relazione; sono riportati nello art. 4.1.

La protezione con un sistema di SPD è efficace nella riduzione di PC solo in strutture protette con LPS o in strutture con schermo metallico continuo o con i ferri di armatura del calcestruzzo (LPS naturale) nelle quali siano rispettati i requisiti della CEI EN 62305-3 con riferimento all’equipotenzializzazione ed alla messa a terra.

Attenzione!
In edifici non protetti dai medesimi la riduzione della probabilità PC può essere non giustificata per cui andrà fatta un’analisi economica costi/benefici salvo i casi di impianti elettrici di strutture (es. ospedali) in cui i guasti sui circuiti interni possono provocare un immediato pericolo per la vita umana.


Sistema di SPD: scelta

I tipi di Sistema di SPD più usati e presi in considerazione nella guida sono

  • Un solo SPD (SPD1) ad innesco (Sistema S) o a limitazione (Sistema L) o combinati con componenti S e L in serie (Sistema S+L)
  • Due SPD (SPD1 + SPD2) con SPD1 ad innesco ed SPD2 a limitazione (Sistema SL) oppure SPD1 e SPD2 a limitazione (Sistema LL)

Secondo la guida il loro corretto utilizzo è:

  • I Sistemi L e LL sono usati per gli impianti di energia
  • I Sistemi S e SL sono usati per gli impianti di segnale

Note:

  • Negli impianti di energia i Sistemi SL sono assimilabili a quelli LL
  • I Sistemi con due SPD in cui SPD1 è di tipo combinato S+L, sono assimilabili a quelli LL
  • I Sistemi SPD a due porte sono assimilabili ai Sistemi con due SPD


Ubicazione abituale e tipologia degli SPD presenti nel sistema sono:

  • SPD1 – ingresso edificio (es. nel Q. Generale) --> Normalmente di Tipo 1 (Iimp)
  • SPD2 – vicino all’apparato da proteggere (es. nel Q. secon., vicino alle prese) --> Normalmente di Tipo 2 (In)

Per la sorgente di danno S1, nei Sistemi LL è consigliabile che anche SPD2 sia di Tipo 1 (Iimp)
Per la sorgente di danno S4 un Sistema S o L con SPD Tipo 2 (In) normalmente è sufficiente per ottenere il PSPD richiesto.

Sistema di SPD: dimensionamento

- Una volta scelto il Sistema di SPD ed il tipo di SPD che lo costituiscono occorre scegliere la coppia di valori (PQ; PUp) che danno il valore PSPD = PQ + 0,9 PUp richiesto per la protezione.
i) PUp va riferita a SPD1 nei Sistemi S o L, a SPD2 nei Sistemo SL o LL.
ii) PQ va invece sempre riferita a SPD1.

- Determinare la corrente di scarica (Iimp se SPD1 è di Tipo 1) o In se SPD1 è di Tipo 2 corrispondente alla probabilità PQ per le sorgenti S1 e S3 o per la sorgente S4.

- Determinare la tensione Up' ai morsetti dell’SPD (USPD a ISPD = 1 kA) corrispondente alla probabilità PUp dell’SPD1 per i Sistemi S o L o dell’SPD2 per i Sistemi SL o LL per le sorgenti S1 e S3 o per la sorgente S4.


Valutazione semplificata della probabilità PSPD per tutte le sorgenti di danno

Per il dimensionamento del sistema di SPD, in genere le sorgenti di danno più gravose sono in ordine decrescente S1, S3 e S4.

Il sistema SPD installabile è unico per tutte le sorgenti di danno quindi una volta dimensionato il sistema per la sorgente più gravosa, i valori di PSPD relativi alle altre sorgenti di danno sono valutabili in base ai parametri corrente di scarica Iimp o In ed al livello di protezione Up del sistema di SPD scelto per la sorgente più gravosa.

A parità di condizioni (circuito, Sistema di SPD, valori di Up) i valori di PUp relativi alla sorgente S3 sono, in genere minori degli analoghi valori di S1, ed il sistema di SPD può essere fatto solo con riferimento alla S1 scegliendo Iimp il massimo fra quelli relativi a S1 e a S3 Iimpx = max (IimpS1; IimpS3).

Inoltre i valori di PSPD relativi a S4 sono trascurabili, se il sistema di SPD è dimensionato per la sorgente S1 o S3.


Grafici di dimensionamento (4.1.4)

Per la valutazione della probabilità PUp in funzione della tensione Up ai capi del SPD sono stati ipotizzati nella guida n. 2 esempi, abbastanza comuni nella realtà, basati su circuiti:

  • non schermati, per gli impianti di energia
  • schermati e non schermati, per gli impianti di segnale

aventi la seguente tipologia:

  • Circuito 1: protetto con un Sistema S (segnale) o con un Sistema L (energia)
  • Circuito 2: protetto con un Sistema SL (segnale) o con un Sistema LL (energia)

Le linee tipo considerate sono:

  • Linea di energia: bt non schermata
  • Linea di segnale:

1. non schermata n’ = 2 conduttori
2. schermata n’ ≥ 20 conduttori

Apparecchiature solo di Classe 1.

Si rammenta che a favore della sicurezza, i valori di PUp dei circuiti tipo possono essere attribuiti anche a circuiti che hanno caratteristiche più favorevoli rispetto a quelli dei suddetti circuiti tipo, cioè:

  • minore larghezza w del circuito
  • minor coefficiente kC di ripartizione di corrente fra le calate
  • minore lunghezza L12 del circuito tra SPD1 e SPD2
  • minore lunghezza L del circuito tra apparecchiatura ed il più vicino SPD a monte
  • minore lunghezza lC dei conduttori di connessione
  • maggiore distanza d tra il circuito e la calata più vicina
  • più alti valori del prodotto n*n’ - numero servizi entranti connessi al dispersore *numero conduttori linea
  • maggiore tensione di tenuta Uw

Per la stesura dei grafici, il calcolo della tensione indotta Ui è stato condotto in conformità all’art. 4.2, della guida assumendo a favore della sicurezza il valore CE = 1 per il coefficiente ambientale.

Art 4.2 Tensione indotta in un circuito: calcolo semplificato proposto dalla 81-29 anziché utilizzo del calcolo più preciso ma più laborioso presente nella CEI EN 62305-4 art. A.5

a. Fulmini sulla struttura Ui = 0,7 x h x Kc x KS2 x Leq
b. Fulmini a terra Ui = 0,7 x q x CE x KS1 x KS2 x KS3 x L

Nelle strutture prive di LPS, il coefficiente h è indefinito e la tensione Ui non è valutabile.

La legenda completa dei simboli utilizzati è presente nella guida alla quale bisogna sempre fare attento riferimento.

Grafici presenti per Impianti di energia [A] Tot. n. 12
Grafici presenti per Impianti di segnale [B] Tot. n. 8

In dettaglio i n. 12 grafici presenti nella guida per impianti di energia presentano:

A.4.1 S1 PQ in funzione di Iimp per SPD1
A.4.2 S3 PQ in funzione di Iimp per SPD1
A.4.3 S4 PQ in funzione di In per SPD1
A.4.4 S1 PUp in funzione di UP Circuito 1 lC = 0 m per n. 5 diversi k1i
A.4.4a S1 PUp in funzione di UP Circuito 1 lC = 0,5 m per n. 5 diversi k1i
A.4.5 S1 PUp in funzione di UP Circuito 2 lC = 0,5 m per n. 5 diversi k1i
A.4.6 S3 PUp in funzione di UP Circuito 1 lC = 0 m per n. 4 diverse lungh L del circ. w=0,005 m
A.4.6a S3 PUp in funzione di UP Circuito 1 lC = 0,5 m per n. 4 diverse lungh L del circ. w=0,005 m
A.4.7 S3 PUp in funzione di UP Circuito 1 lC = 0 m per n. 4 diverse lungh L del circ. w=0.1 m
A.4.7a S3 PUp in funzione di UP Circuito 1 lC = 0,5 m per n. 4 diverse lungh L del circ. w=0,1 m
A.4.8 S3 PUp in funzione di UP Circuito 2 lC = 0,5 m per n. 4 diverse lungh L del circ. w=0,1 m
A.4.9 S4 PUp in funzione di UP per n. 5 diverse aree A del circuito.

Ove i simboli indicano:

k1i = w*Kc*Leq/d coefficiente relativo alla tensione indotta dalla sorgente S1 nel circuito, e Kc è il coefficiente che tiene conto della ripartizione della corrente sulle calate del LPS, Leq = Lv + L’o = lunghezza equivalente del circuito (m), d la distanza (m) circuito-calata. w = 0,005 m distanza conduttori attivi e PE (in canaletta metallica chiusa) w = 0,1 m distanza conduttori attivi e PE (in canaletta) L = LV +LOlunghezza del circuito tra apparecchiatura ed il più vicino SPD a monte lc = lunghezza dei conduttori di connessione del SPD

Nello Allegato B sono infine presenti n. 3 esempi di verifica e dimensionamento di un sistema di SPD che sono stati sviluppati in base ai grafici sopra descritti; risultano molto utili soprattutto per meglio comprendere l’uso pratico dei supporti forniti.

I valori di k1i L ed A che non trovano esatta corrispondenza nei grafici, possono essere interpolati, estrapolati o riferiti a quelli immediatamente superiori a vantaggio della sicurezza. E’ importante seguire scrupolosamente tutte le note presenti in ogni grafico e tener presente che il coefficiente 9,25 citato è il rapporto tra la In di un SPD Tipo 2 e la Iimp di un SPD Tipo 1 a parità di carica sostenuta.

  • B1: Verifica delle prestazioni di un Sistema di SPD
  • B2: Dimensionamento di un Sistema di SPD
  • B3: Protezione contro le sovratensioni di un impianto elettrico in una struttura

In questa ultima (B3) si analizza una struttura, posta in ambiente suburbano, munito di LPS naturale, rappresentata da un edificio adibito ad uso uffici, con un archivio ed un centro di calcolo posti in un sito con NG=4 ed alimentato con linea interrata di energia con LL= 300 m e linea interrata TLC in cavo schermato LL= 1000 m e con n. 2 tubazioni di adduzione acqua e gas connesse alla barra di equipotenzialità della struttura.

I circuiti interni di energia sono stati divisi in n. 4 gruppi (sono stati attribuiti FT differenti) relativi a:
a. Uffici
b. Servizi
c. UPS
d. CED - Centro Elaborazione Dati

E’ stato analizzato l’utilizzo di un sistema di SPD L ed in variante di un sistema di SPD LL. Lo studio del dimensionamento per la protezione da sovratensione del circuito prospettato degli impianti di energia porta a privilegiare in conclusione la installazione (ad esempio) di un sistema LL (SPD1+SPD2) con n. 2 SPD di Tipo 1 con Iimp rispettivamente di 10 kA e da 1 kA con Up di 830 V. Si opterà quindi per un idoneo articolo da utilizzare individuandolo nel catalogo del costruttore prescelto, eventualmente basandosi a favore della sicurezza su un dato di targa dichiarato di Up a 5 kA nel caso non fosse dichiarato il valore di Up riferito ad 1 kA (Up).

I due SPD saranno installati rispettivamente: SPD1 nel Q.Generale ed SPD2 in quello Uffici.


Per consultare i miei precedenti articoli relativi all'argomento consiglio di cliccare ai seguenti link del mio blog:

  1. https://www.electroyou.it/bonang/wiki/sovratensione-cenni-per-realizzare-una-corretta-protezione-in-b-t
  2. https://www.electroyou.it/bonang/wiki/norma-cei-64-8-v5-2019-02-protezione-contro-le-sovratensioni
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Commenti e note

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di ,

Grazie

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di ,

Ringrazio l'ing. del commento positivo. Il mio intento era soprattutto quello di fornire un aggiornamento sul non facile argomento lasciando al progettista l'indispensabile consultazione di norme e guide (citate) per una puntuale disamina ed approfondimento.

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di ,

Articolo essenziale, sintetico e chiaro. Forse un po' troppo sintetico: quache parola in più, qualche grafico, qualche figura non avrebbero guastato.

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