L’energia specifica W/R di un colpo breve è l’energia che un colpo breve trasferisce in una resistenza del valore di 1Ω. Questo trasferimento di energia corrisponde all’integrale del quadrato della corrente del colpo breve su un tempo pari alla durata del colpo:

Pertanto, questa energia specifica è spesso indicata come impulso quadratico di corrente. Tale energia è determinante per il riscaldamento dei conduttori attraversati dalla corrente impulsiva di fulmine, così come per l’effetto della forza esercitata sui conduttori attraversati dalla corrente impulsiva di fulmine (Figura 2.5.1).

Figura 2.5.1 Aumento della temperatura e forza risultante dall’energia specifica della corrente di fulmine

Per l’energia W convertita in un conduttore con una resistenza R vale:

R = Resistenza in corrente continua del conduttore (dipendente dalla temperatura)

W/R = Energia specifica

Il calcolo del riscaldamento di conduttori attraversati da corrente di fulmine può diventare necessario quando durante la progettazione e l’installazione di sistemi di protezione contro i fulmini devono essere considerati i rischi relativi alla protezione delle persone, al pericolo di incendio e di esplosione. Nel calcolo si parte dal presupposto che l’energia termica totale viene creata dalla resistenza ohmica dei componenti del sistema di protezione contro i fulmini. Inoltre, si suppone che non vi sia scambio termico rilevabile con l’ambiente circostante a causa della breve durata del processo. Nella Tabella 2.5.1 sono elencati gli aumenti di temperatura di diversi materiali impiegati per la protezione contro i fulmini e le loro sezioni in funzione dell’energia specifica.

Sezione [mm2]

4

10

16

25

50

100

Materiale

Aluminio
W/R [MJ/Ω]

2,5

–

564

146

52

12

3

5,6

–

–

454

132

28

7

10

–

–

–

283

52

12

Ferro
W/R [MJ/Ω]

2,5

–

–

1120

211

37

9

5,6

–

–

–

913

96

20

10

–

–

–

–

211

37

Rame
W/R [MJ/Ω]

2,5

–

169

56

22

5

1

5,6

–

542

143

51

12

3

10

–

–

309

98

22

5

Acciaio

Inox
W/R [MJ/Ω]

2,5

–

–

–

940

190

45

5,6

–

–

–

–

460

100

10

–

–

–

–

940

190
Tabella 2.5.1 Aumento della temperatura ΔT in K di diversi materiali conduttori

Le forze elettrodinamiche F generate da una corrente i in un conduttore con un percorso lungo e parallelo di lunghezza l e distanza d (Figura 2.5.2) si possono approssimativamente calcolare con l’equazione seguente:

Figura 2.5.2 Forza elettrodinamica tra conduttori paralleli

F(t) = Forza elettrodinamica
i = Corrente
μ0 = Campo magnetico costante in aria (4 π · 10-7 H/m)
l = Lunghezza del conduttore
d = Distanza tra i conduttori paralleli

L’effetto della forza sui due conduttori è attrattivo in caso di direzione di corrente uguale, mentre in caso di direzione di corrente opposta, è repulsivo. Tale effetto è direttamente proporzionale al prodotto delle correnti nei conduttori ed è inversamente proporzionale alla distanza tra i conduttori. Ma anche nel caso di un solo conduttore piegato si verifica un effetto di forza sul conduttore stesso. In tale caso la forza sarà proporzionale al quadrato della corrente nel conduttore piegato. Pertanto l’energia specifica di un colpo breve determina così la sollecitazione che causa una deformazione reversibile o irreversibile dei componenti e della disposizione dell’impianto di protezione contro i fulmini. Si tiene conto di questi effetti durante le prove previste dalle norme di prodotto relative ai requisiti degli elementi di protezione degli impianti di protezione contro i fulmini.

L’allegato D della norma CEI EN 62305-1 descrive in dettaglio in che modo i parametri della corrente di fulmine rilevanti al punto di fulminazione sono importanti per l’integrità fisica di un LPS. Come spiegato in precedenza, tali parametri sono in generale la corrente di picco I, la carica Q, l’energia specifica W/R, la durata T e la pendenza media della corrente di/dt. Ognuno dei suddetti parametri tende a dominare un diverso meccanismo di guasto come analizzato in dettaglio sopra.