Parafulmine

Un parafulmine è uno strumento il cui obiettivo è quello di attirare un raggio ionizzato dall'aria per condurre la scarica verso il suolo, in modo tale da non causare danni a persone o edifici. Fu inventato nel 1752 da Benjamin Franklin . Il primo modello è conosciuto come il "parafulmine Franklin", in onore del suo inventore.

Un fulmine colpisce il parafulmine della CN Tower a Toronto , Canada .

Storia

Nel 1749 Benjamin Franklin iniziò i suoi esperimenti sull'elettricità ; ha difeso l'ipotesi che i temporali siano un fenomeno elettrico e ha proposto un metodo efficace per dimostrarlo. Nel 1753 inventò i parafulmini in America e forse, indipendentemente, fu inventato anche dal ceco Prokop Diviš nel 1754. ]

Il più antico articolo di Franklin sull'elettricità . ]

Nel 1752 Franklin pubblicò a Londra , nel suo famoso almanacco ( Poor Richard's Almanack ), un articolo in cui proponeva l'idea di utilizzare dei tiranti appuntiti d'acciaio sui tetti per proteggerli dai fulmini. La sua teoria fu sperimentata in Inghilterra e in Francia ancor prima che lui stesso eseguisse il suo famoso esperimento con l'aquilone nel 1752. Inventò il parafulmine e introdusse la cosiddetta teoria del fluido singolo per spiegare i due tipi di elettricità atmosferica, positiva e negativa.

Da quel momento in poi sono nati dei parafulmini che, contrariamente a quanto indica il loro nome, avevano lo scopo di attirare la scarica per poi condurla a terra, luogo dove non provoca danni. La fiducia della protezione era così grande nella società che, inconsciamente, non consideravano i propri rischi e furono progettati anche ombrelli estetici con parafulmini incorporati.

Nel 1753, il russo Georg Wilhelm Richmann seguì le indagini di Franklin per verificarne l'effetto di protezione, ma nelle sue indagini fu colpito da un fulmine quando fu eccitato e attratto dal parafulmine, e ricevette una scossa elettrica mortale quando ne manipolava parte. installazione parafulmine.

Nel 1919 Nikola Tesla definì correttamente il principio di funzionamento del parafulmine e confutò le teorie e la tecnica di Benjamin Franklin e il suo brevetto. Da allora, l'industria dei parafulmini si è evoluta e vengono prodotti modelli di diverso design, come i parafulmini a punto singolo, i parafulmini multipunto o i parafulmini a punto elettronico , ma tutti con lo stesso principio fisico di funzionamento: ionizzare l'aria da un campo elettrico naturale generato al suolo dal temporale, con il principio di eccitare e catturare i fulmini che potrebbero cadere nell'area da proteggere. Un'installazione parafulmine è composta essenzialmente da tre elementi: un elettrodo di cattura (parafulmine), un collegamento elettrico a terra e un cavo elettrico per condurre la corrente del fulmine dal parafulmine al collegamento a terra.

Struttura e funzionamento

Schema della struttura e del funzionamento di un parafulmine.

Le installazioni di parafulmini sono costituite da un palo metallico ( acciaio inossidabile , alluminio , rame o acciaio ) con una testata collettore. La testa ha molte forme a seconda della sua prima operazione: può essere appuntita, multipunta, emisferica o sferica e deve sporgere sopra le parti più alte dell'edificio per evitare che una grande quantità di carica elettrica provochi danni, come incendi o addirittura la morte di persone o animali. La testata è collegata ad una terra elettrica tramite uno o più cavi in ​​rame, acciaio o alluminio. Il collegamento a terra è realizzato mediante aste metalliche che fungono da elettrodi nel terreno o mediante piastre metalliche conduttive anch'esse interrate. In linea di principio si è ipotizzato che un parafulmine protegga una zona conica teorica con il vertice in testa dove il raggio della zona di protezione dipende dall'angolo di apertura del cono, e questo a sua volta dipende da ciascun tipo di protezione. Tuttavia, nel tempo si è visto che il modo per calcolare l'area protetta è più complesso (riferimenti a UNE21186, CTE, UNE-EN62305). Le installazioni di parafulmini sono regolate in ogni paese da guide o standard di raccomandazione.

L'obiettivo principale di questi sistemi è ridurre i danni che possono essere causati da un fulmine che colpisce altri elementi. Molti strumenti sono vulnerabili alle scariche elettriche, soprattutto nel settore delle telecomunicazioni, dell'elettromeccanico, dell'automazione di processo e dei servizi, quando si verifica un temporale con attività elettrica da fulmini. Quasi tutte le apparecchiature elettroniche includono componenti sensibili ai disturbi elettromagnetici e alle variazioni improvvise di corrente. La più importante fonte di radiazione elettromagnetica è la scarica di un fulmine in un elemento metallico o, nel suo caso, in un parafulmine.

Affinché un impianto di protezione contro i fulmini sia sicuro, tutti i suoi elementi devono essere conformi alle rispettive normative, sia in termini di caratteristiche che di installazione.

Altri tipi di parafulmini

Parafulmine a compensazione di campo elettrico multiplo (CMCE)

È un sistema di protezione dalle scariche atmosferiche ad alta tecnologia, dispone di un sensore passivo atto a bilanciare e compensare in ogni momento il campo elettrico variabile esistente nell'ambiente, generato dai fenomeni atmosferici, annullando così la formazione avanzata del tracciante ascendente, evitando il impatto di un fulmine contro la struttura, generando un involucro di protezione nella sua area di copertura, scaricando cariche elettriche su un sistema di terra, in una corrente che è della scala dei milliampere (innocua). Questo modello ha certificazioni per studi di laboratorio e normative standard in tutto il mondo.

“Basato sui principi di funzionamento di un parafulmine creato dallo scienziato Nikola Tesla nel suo brevetto 1.266.175, presentato dallo stesso nel 1918, un parafulmine con maggiore sicurezza e funzionalità che è molto diverso da quello convenzionale, poiché generalmente genera insicurezza a causa della potente energia durante la scarica a terra e soprattutto delle costose perdite, secondo le parole del dottor Nikola Tesla". Il cmce è un'evoluzione sviluppata del primitivo parafulmine creato dal fisico, che deionizza e bilancia le cariche atmosferiche in ogni momento attraverso i suoi compensatori.

Parafulmine deionizzante caricato elettrostaticamente

Alcuni autori affermano che, grazie al suo design, la carica elettrostatica deionizzante del parafulmine annulla il campo elettrico nelle strutture, inibendo così la formazione di fulmini nell'area protetta anticipando il processo di formazione dei fulmini, per indebolire l' elettricità campo presente, in deboli correnti che disperdono a terra ed evitano possibili fulmini sulle strutture. Altri autori affermano che la loro presenza non costituisce una protezione diversa da quella concessa da un parafulmine convenzionale. Al riguardo si precisa che:

"Non ci sono prove teoriche o sperimentali a sostegno della possibilità di prevenire la formazione di fulmini o di estendere la zona di protezione oltre un sensore convenzionale". ]

Le indagini sull'elettrostatica dell'atmosfera hanno dimostrato che oggetti appuntiti immersi in un campo elettrostatico di intensità sufficiente genereranno stelle filanti. Più l'oggetto è appuntito, più veloce sarà la creazione dello streamer, più competitivo sarà quello con punti in tutte le direzioni. In risposta a questo fenomeno, è comune trovare elementi di protezione con un numero crescente di elementi appuntiti, orientati in direzioni diverse. Gli elementi costituiti da barre riceveranno al loro interno le scariche elettriche mentre, quelli costituiti da centinaia di aghi affilati in un corpo che imita una spazzola o una spazzola, incanalano le correnti elettrostatiche. Si chiamano Dissipatori Statici e sono sempre più utilizzati nella protezione delle strutture metalliche.

Come per i parafulmini CMCE, attualmente non esistono normative che regolino la produzione, il collaudo e l'installazione di questo tipo di dispositivo.

Parafulmini in strutture metalliche e gru

I parafulmini sono prodotti affidabili per la protezione dai fulmini per la maggior parte delle installazioni, ad eccezione delle strutture metalliche. La struttura metallica è già fortemente esposta ai fulmini e un ulteriore parafulmine su di essa aumenta il rischio di essere colpiti da un fulmine. Per edifici ordinari in cemento, il parafulmine attira i fulmini e trasferisce la corrente al filo conduttore e lascia che la corrente fluisca attraverso il conduttore e raggiunga il suolo. Quando il sistema parafulmine viene applicato alla struttura metallica, questa è, di per sé, sufficientemente conduttiva, con una sezione metallica ampia, in modo che la corrente lo preferisca come percorso, quindi lo salti sopra e il lampeggio o l'arco (flashover) attorno ad essa possono danneggiare le apparecchiature attaccate alla struttura e le persone ad essa vicine, fenomeno che in pratica si verifica (oppure è necessario posizionare conduttori a terra conduttori di sezione larga di metallo conduttore migliore della torre, preferibilmente sbarre opportunamente poste diritte barre di rame). Per questo motivo i parafulmini non sono adatti per strutture metalliche come torri per telecomunicazioni, torri radio-TV, gru a torre, aerogeneratori, ecc. In questi, società di protezione esperte collocano dissipatori statici . Come discusso nella sezione precedente, la dimostrazione scientifica della sua reale efficacia è difficile da verificare e non esiste un modello matematico del fenomeno. I proprietari delle torri hanno preferito scommettere sulla protezione con questi elementi relativamente economici, facili da fissare alle strutture, non necessitano di cablaggio di messa a terra. Nel corso degli anni di utilizzo, confrontando le statistiche sarà possibile sapere se, in termini pratici, questa soluzione è efficace o meno.

Parafulmini sulle linee di trasmissione ad alta tensione

Le linee di trasmissione ad alta tensione hanno fili progettati specificamente per la protezione contro i fulmini. Sebbene efficace, in pratica si osserva ancora un danno di linea a causa della natura imprevedibile di questi fenomeni naturali. La spiegazione che il cavo, essendo tondo, non contribuisca abbastanza ad attrarre la scarica o ad incanalare le correnti elettrostatiche che precedono la nuvola carica sembra coerente. Il fulmine si scarica nei punti alti e acuti delle torri e in corrispondenza di curve o variazioni di curvatura del cavo stesso. In questi punti si presta particolare attenzione per aumentare la protezione delle linee e si utilizzano risorse come i dissipatori statici .

Parafulmine con compensazione del campo elettrico variabile (PDCE o DDCE)

Operazione PDCE/DDCE

È un sistema di collettori passivi progettato per bilanciare e deionizzare in ogni momento le cariche elettriche generate dai fenomeni atmosferici, svolge questa funzione attraverso compensatori, generando un involucro protettivo nella sua area di copertura. Il suo principio di funzionamento si basa sulla compensazione, sul bilanciamento del campo elettrico variabile esistente nell'ambiente, annullando così la formazione del tracciante ascendente, anticipando la formazione di fulmini, evitando l'impatto contro la struttura, scaricando cariche elettriche ad un impianto di terra. , in una corrente che è della scala dei milliampere. Questo modello ha certificazioni per studi di laboratorio e normative standard in tutto il mondo.

Parafulmine con dispositivo di adescamento

Un parafulmine con dispositivo di innesco è un parafulmine che incorpora un dispositivo di innesco (PDC), elettronico o meno, che garantisce una maggiore altezza del punto di impatto del fulmine, aumentando così l'area di copertura e facilitando la protezione di grandi aree, semplificando e riducendo i costi di installazione.

Il suo funzionamento si basa sul seguente processo:

Quando sono presenti le condizioni atmosferiche per la formazione di nubi caricate elettricamente ( cumulonembi ) il gradiente atmosferico aumenta rapidamente, creando un campo elettrico di migliaia di volt /metro tra la nuvola e il suolo. Durante questo processo, il sistema PDC cattura e immagazzina l'energia dall'atmosfera interna. La testa emette un tracciante ascendente sotto forma di impulso ad alta frequenza dall'energia immagazzinata quando il controllo del carico rileva che un fulmine è vicino (valore di tensione vicino al punto di rottura del gradiente atmosferico). Tramite il tracciante ascendente è previsto un percorso ionizzato a bassa impedenza per lo scarico dell'energia immagazzinata nella nuvola verso terra, attraverso la calata dell'impianto, neutralizzando il potenziale di terra.

Un altro tipo è il parafulmine PDCE, che è stato progettato per ridurre il tempo di una scarica atmosferica, che gli consente di raggiungere una maggiore capacità di catturare i fulmini. Mantiene tutte le sue proprietà tecniche iniziali dopo ogni download e non richiede un'alimentazione esterna.

La norma UNE 21186 regola la protezione contro i fulmini per mezzo di parafulmini con dispositivo di innesco.

Il livello di protezione è legato all'efficienza richiesta ad un sistema di protezione contro i fulmini per intercettare le scariche senza rischi per le persone, per la struttura e per gli impianti. Indica l'efficacia del sistema di protezione all'interno del volume da proteggere.

La Torre Pendente di Nevyansk sormontata da una sbarra di metallo e collegata a terra con un complesso sistema di barre d'armatura.

"Macchina meteorologica", inventata da Václav Prokop Diviš , che fungeva da parafulmine.

Regolamento parafulmini

Codice tecnico edilizio

Il Codice Tecnico dell'Edilizia (CTE) è un quadro normativo obbligatorio in Spagna che regola i requisiti di qualità di base che gli edifici devono soddisfare, comprese le loro strutture, per soddisfare i requisiti di base di sicurezza e abitabilità, in sviluppo delle disposizioni della seconda disposizione aggiuntiva di Legge 38/1999, del 5 novembre, sul regolamento edilizio ( LOE ). È applicabile a nuove opere di costruzione, lavori di ampliamento, modifica, riforma o riabilitazione, cambio di attività o uso dell'edificio esistente.

Nella sezione d'uso n° 8 (SU 8) «Sicurezza contro il rischio causato dall'azione dei fulmini», si indica l'obbligo di installare dispositivi di protezione esterna contro i fulmini, in funzione dell'indice di rischio dell'impianto da proteggere. Inoltre, al punto B.2 indica che "ogni volta che viene installato un parafulmine, è obbligatorio disporre di un sistema di protezione interno costituito da dispositivi che riducano gli effetti elettrici e magnetici della corrente di scarica atmosferica all'interno dell'ambiente da protetto”.

Il Technical Building Code (CTE) specifica che "i dispositivi di raccolta possono essere punti Franklin, reti conduttive e parafulmini con un dispositivo di adescamento". ]

UNE 21186

La norma spagnola UNE 21186 «Protezione di strutture, edifici e aree aperte mediante parafulmini con dispositivi di adescamento ​» si occupa della protezione mediante parafulmini con dispositivi di adescamento, contro gli impatti diretti dei fulmini su strutture attuali e aperte aree (aree di stoccaggio, aree di svago, ecc.). Allo stesso modo, prevede la protezione contro gli effetti della corrente di fulmine che attraversa il sistema di protezione. Descrive inoltre le prove che questi parafulmini devono superare per testarne le caratteristiche (il loro tempo di anticipo, che determina il loro raggio di protezione) e per garantire che resistano a condizioni ambientali avverse e ripetute correnti di fulmine. Tutto questo, con l'obiettivo di tutelare nel modo più efficace possibile le persone e i beni materiali.

UNE-EN IEC 62305 "Protezione contro i fulmini"

È uno standard composto da quattro parti e regola la protezione contro i fulmini per mezzo di punte e maglie Franklin.

La norma UNE-EN IEC 62305-1 specifica che "Non esistono dispositivi o metodi in grado di modificare i fenomeni atmosferici naturali al punto da prevenire le scariche dei fulmini. ​"

Necessità di parafulmini

Resti di un eucalipto colpito da un fulmine.

Il fulmine è un fenomeno meteorologico che genera gravi effetti termici, elettrici e meccanici, a seconda della sua energia durante la scarica. Sono noti fulmini con traiettoria ascendente e discendente, che variano di valore a seconda dell'attività temporalesca e della sua posizione geografica. I valori attuali che possono apparire in un singolo fulmine vanno da 5.000 a 350.000 ampere , con una media di 50.000 ampere. Le stagioni delle tempeste sono sempre più estese durante l'anno e compaiono anche in inverno ; la loro distribuzione geografica è molto variabile e potrebbero esserci variazioni significative nelle mappe cerauniche dell'attività dei temporali e della densità dei fulmini. Le normative sulla protezione contro i fulmini (in Spagna, UNE-EN62305 e UNE21186) contengono linee guida per il calcolo del rischio di una struttura e la necessità di installare un sistema di protezione contro i fulmini.

L'elevata intensità dei fulmini può causare l'arresto cardiaco o respiratorio per folgorazione di un essere vivente, a causa del passaggio della corrente di scarica. L'impatto diretto dei fulmini provoca danni alle strutture (edifici, antenne per telecomunicazioni, industrie, ecc.). L'impatto del fulmine dissipa il calore per effetto Joule e, quindi, può provocare incendi .

Il cambiamento climatico è una delle cause principali dell'aumento dell'attività temporalesca e dell'aumento della densità dei fulmini, e per difetto della comparsa di tanti incidenti in strutture protette con parafulmini appuntiti. ]

L'aumento dell'attività solare aumenta l'attività elettrica dell'atmosfera , generando inaspettate tempeste elettromagnetiche e termodinamiche che non compaiono nei modelli o nelle previsioni climatiche. Questa attività elettrica è, tra gli altri fenomeni meteorologici noti, un altro fattore scatenante per una maggiore attività di fulmini da nuvola a terra o terra-nuvola.

Secondo l' Organizzazione Mondiale della Sanità ( OMS ), diverse organizzazioni nazionali e internazionali hanno formulato linee guida che stabiliscono limiti di esposizione ai campi elettromagnetici ( EMF ) sul lavoro e nei luoghi di residenza. In questo senso, queste linee guida interessano direttamente le installazioni dei parafulmini, poiché mettono in pericolo la continuità del settore e la salute delle persone al lavoro.

Vedi anche

• alta tensione elettrica
• campo elettrico
• Elettricità
• Storia dell'elettricità
• picchi

Collegamenti esterni

• Wikimedia Commons ha una categoria multimediale per i parafulmini .
• Wikizionario contiene definizioni e altre informazioni sui parafulmini .