La disposizione degli elettrodi ad anello descritta in 5.7.1 non è sempre attuabile per motivi di costo, strutturali e di ingombro, come ad esempio nelle aree residenziali densamente edificate. Di seguito viene descritta la possibilità di ottimizzazione offerta dai moderni strumenti di simulazione e il loro utilizzo per valutare situazioni reali.
Grazie alla ricerca di base e all’analisi completa della letteratura è stato messo a punto ed è ora disponibile uno strumento che permette una simulazione 3D dei sistemi di dispersione diffusi e considera anche l’effetto di ionizzazione del suolo. Si tratta di un notevole miglioramento rispetto ai precedenti approcci analitici semplificati. Inoltre può essere compresa nella simulazione la reazione del corpo umano alla tensione di passo/corpo. Tuttavia le simulazioni con tensioni di passo non caricate portano a valori di tensione eccessivi e apparentemente inaccettabili.

Per valutare i risultati della simulazione è disponibile un valore della tensione di passo ben definito grazie a un’ampia ricerca nella letteratura bibliografica.
Un prerequisito per l’ottimizzazione dei sistemi di dispersori tenendo conto della tensione di passo, è la definizione di una tensione di passo/corpo ammissibile, tale da non provocare danni alla salute.

Valori limite della tensione di passo

La letteratura fornisce informazioni sulle tensioni alternate nella tecnica e anche sui percorsi della corrente tra mano e mano e tra mani e piedi. Non viene preso in considerazione il controllo della tensione in caso di impulsi di breve durata e di percorsi da piede a piede. Sulla base dei parametri temporali di un primo colpo con un impulso di 10/350 μs, i possibili valori limite si possono derivare dalla norma IEC/TS 60479-1: “Effetti della corrente sugli esseri umani e sugli animali – Parte 1: aspetti generali” e dalla norma IEC/TS 60479-2: “Effetti della corrente sugli esseri umani e sugli animali – Parte 2: aspetti specifici”, volume 44 della serie tedesca VDE “Neuhaus, H.: Blitzschutzanlagen – Erläuterungen zur DIN 57185/VDE 0185” [Protezione contro i fulmini – Spiegazione della DIN 57185/VDE 0185] e la cosiddetta “equazione dell’elettrocuzione ” tratta da C. F. Dalziel e W. R. Lee “Nuova valutazione delle correnti elettriche letali. Atti IEEE sulle applicazioni industriali”. Per confermare tali informazioni e renderle comprensibili, sono stati simulati i campi di flusso nel corpo umano a seguito delle tensioni di passo, grazie un software FEM, un PC e il cosiddetto modello Hugo. Tale modello Hugo è una simulazione 3D del corpo umano comprendente tutti gli organi con una risoluzione spaziale di max. 1 mm x 1 mm x 1 mm ed è basato sul “Progetto Umano Visibile” (Visible Human Project) della National Library of Medicine di Bethesda/USA. Questo modello può essere utilizzato anche per simulare i campi elettrici nel corpo umano.

Simulazione della tensione di passo

Una tensione di passo di 1 kV viene applicata al modello Hugo con piedi nella posizione di compiere un passo di 1 m (Figura 5.7.2.1). In questa disposizione, la massima densità di corrente nel cuore è di circa 1,2 A/m2 e la corrente totale che scorre attraverso il cuore è di 7,5 kA. Nel caso di impulsi di 10/350 ms, la corrente cardiaca massima non deve superare i 200 mA. Ciò si traduce in un valore massimo della tensione di passo/corpo pari a 26,6 kV. Questi valori limite calcolati della tensione di passo/corpo sono riassunti nella Tabella 5.7.2.1 secondo diverse fonti.
Dopo aver valutato tutte le considerazioni teoriche e le esperienze sui valori limite, è stato usato per le simulazioni il valore limite IEC di 25 kV. Sono state simulate diverse configurazioni per verificare e variare i sistemi di dispersori con costi ridotti.

Modello di riferimento

Per ridurre al minimo l’influenza di effetti collaterali, il calcolo per tutti i sistemi di dispersori viene eseguito in un emisfero con raggio di 100 m. La superficie della sfera è definita come terra (potenziale zero). Il piano di sezione della sfera è equivalente alla superficie della terra, se è definito come l’isolamento elettrico. I calcoli sono eseguiti in flusso stazionario. L’ampiezza della corrente di fulmine è assunta pari a 100 kA.
Il terreno è stato simulato per mezzo di due diversi modelli.

• Modello 1: le proprietà elettriche del suolo sono indipendenti da altri parametri elettrici (“modello lineare”). Se non diversamente specificato, si assume una conducibilità elettrica pari a 0,001 S/m che corrisponde a una resistività di 1000 Ωm. Questo rappresenta un terreno con una scarsa conducibilità elettrica.
• Modello 2: il suolo cambia la conducibilità elettrica a seconda dell’intensità del campo elettrico (“modello non lineare”). Questo modello è stato scelto per simulare l’effetto di ionizzazione del suolo. Per raggiungere questo obiettivo si è assunta una conducibilità caratteristica di 0,001 S/m per una intensità di campo elettrico inferiore a 300 kV/m, una conducibilità elettrica di 0,01 S/m per una intensità del campo elettrico superiore a 500 kV/m, e una conducibilità che aumenta in modo all’incirca lineare tra questi due valori.

Per poter confrontare tra loro diversi sistemi di dispersori terra, è stato definito un modello di riferimento:

• piccolo edificio con una superficie di 10 m x 10 m e una profondità della parte interrata pari a 2 m
• questo edificio si suppone idealmente isolante.

Per eseguire la simulazione, la corrente viene iniettata in uno dei capicorda del sistema dei dispersori. Da lì si diffonde attraverso il sistema dei dispersori e il suolo nel terreno circostante. Il potenziale elettrico che si crea è valutato alla superficie del suolo; il valore della tensione di passo |US| è calcolato per una lunghezza del passo d_step = 1 m, lungo una linea retta al suolo che parte dalla parete dell’edificio fino al bordo della zona considerata. La posizione r è uguale alla distanza dalla parete della casa (Figura 5.7.2.2).

Simulazioni con il modello di riferimento

Vengono effettuate delle simulazioni con il modello di riferimento, con un numero crescente di dispersori ad anello, installati secondo le normali consuetudini, ad una distanza di 1 m, 4 m, 7 m e 10 m dalle pareti dell’edificio e a una profondità di 0,5 m, 1 m, 1,5 m e 2 m (Figura 5.7.2.3).

Quando si confrontano i risultati, alcuni aspetti sono particolarmente sorprendenti: se si considera l’effetto della ionizzazione del suolo, si vede che le tensioni di passo sono notevolmente ridotte rispetto a un suolo considerato lineare. Se si considera la ionizzazione del suolo, si osserva una tensione massima di circa 325 kV su un singolo dispersore ad anello, mentre in caso di terreno lineare si ottiene una tensione di circa 750 kV. Tuttavia, con l’aumentare del numero degli anelli tale differenza si riduce progressivamente. In caso di due dispersori ad anello, ad esempio, si riscontrano solo circa 220 kV e 225 kV rispettivamente. Come previsto, la tensione di passo si riduce notevolmente se vengono aggiunti ulteriori anelli. Tuttavia va osservato che le tensioni di passo sono particolarmente ridotte all’interno del sistema dei dispersori. Le tensioni di passo aumentano generalmente luogo il bordo del sistema dei dispersori, dove il campo di flusso controllato dall’anello dei dispersori entra nei campi elettrici incontrollati del terreno. In questo contesto, è anche notevole che le tensioni di passo che si formano al di fuori del sistema dei dispersori abbiano una curva caratteristica simile e siano praticamente indipendenti dal numero di anelli dispersori installati. Questo fenomeno è chiaramente visibile nella Figura 5.7.2.3 per r > 11 m. È altrettanto singolare che, anche nel caso di un complesso di quattro anelli e considerando la ionizzazione del suolo, le tensioni di passo così determinate eccedano ancora in modo significativo il valore limite di 25 kV.

Reazione del corpo umano

Poiché in alcuni casi le tensioni di passo sono considerevolmente superiori al valore limite assunto, si pone la questione se lo stato attuale della tecnica e della pratica offrano un’adeguata protezione nei confronti delle tensioni di passo eccessive. Tenendo conto del fatto che, in particolare nel caso di un suolo cattivo conduttore, il corpo umano presenta una resistenza elettrica significativamente più bassa rispetto al suolo stesso, il corpo umano tuttavia reagisce alle tensioni di passo che si producono. Ciò è paragonabile al caso di un carico applicato a una sorgente di tensione con una resistenza interna estremamente alta (Figura 5.7.2.4).

In “Blitzschutzanlagen – Erläuterungen zur DIN 57185/VDE 0185” [Sistemi di protezione contro le scariche elettriche – Informazioni più dettagliate su DIN 57185/VDE 0185], H. Neuhaus introduce un concetto simile sotto forma di resistenze di terra dei piedi, ovvero una sorta di resistenza di contatto tra il suolo e i piedi. Tuttavia, queste resistenze non vanno confuse con altre resistenze, come le suole delle calzature. Secondo Neuhaus, tali resistenze, poste in serie con la resistenza interna del corpo umano, formano un partitore di tensione e riducono la tensione di passo/corpo effettivamente applicata a una persona rispetto alla pura tensione di passo sul terreno.
Per poter verificare questa reazione anche nella simulazione, è stato inserito un oggetto molto semplificato a forma di arco, le cui due basi corrispondono all’area di un piede come assunto da Neuhaus (D = 0,15 m). La conducibilità elettrica è stata scelta in modo che la resistenza dell’arco sia di 1 kΩ. Le ricerche hanno dimostrato che questo valore è il caso più critico da assumere per quanto riguarda la conseguente folgorazione. L’arco è posizionato alla superficie del suolo al di sopra di un sistema di dispersori con quattro anelli. Viene calcolata la tensione di passo derivante dalla reazione dell’oggetto alla tensione di passo originale (Figura 5.7.2.5).
La Figura 5.7.2.6 mostra le tensioni di passo U_S,with con la reazione del corpo umano, le tensioni di passo U_S,without senza la reazione del corpo umano, nonché il quoziente ottenuto dai entrambi i valori per modelli del terreno senza ionizzazione e una conducibilità elettrica di σ = 0,001 m/s.
La Tabella 5.7.2.2 confronta i risultati di ulteriori simulazioni con i fattori analiticamente valutati da Neuhaus.
La Figura 5.7.2.6 mostra che il fattore U_S,without/U_S,with è approssimativamente costante per tutto il periodo di calcolo e per una data conduttività del terreno. Se la conduttività del terreno varia, anche il fattore U_S,wirthout/U_S,with varia (Tabella 5.7.2.2). Gli elementi determinati nella simulazione sono in buon accordo con i fattori analiticamente valutati da Neuhaus.
Per questi motivi, i fattori descritti in precedenza possono essere utilizzati per convertire direttamente i risultati della simulazione delle tensioni di passo nelle tensioni di passo/corpo risultanti, senza effettuare lunghe simulazioni specifiche che richiedono la sostituzione di un corpo per ogni dispersore da simulare. La Figura 5.7.2.7 mostra i valori della tensione di passo/corpo convertiti per diverse configurazioni dei dispersori. Questo mostra che, nel caso di un sistema di tre o quattro dispersori, le tensioni di passo ammissibili all’interno e all’esterno del sistema sono rispettate.
Si vede che nelle configurazioni con dei dispersori condivisi non si superano i valori ammissibili delle tensioni di passo basate sui presupposti sopra descritti. In generale, va osservato che tensioni di passo decisamente più elevate si verificano al bordo di ogni sistema di dispersori, più che all’interno della zona del dispersore.
Attraverso ulteriori prove si suppone di poter ottimizzare la progettazione e l’installazione dei sistemi di dispersione. Inoltre, si deve chiarire se i calcoli in condizioni stazionarie riflettono correttamente le condizioni reali e quali effetti si manifestano in caso di calcolo in regime transitorio.