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I Fulmini, un nemico per le reti elettriche
di Michael Stringfellow, PowerCET Corporation


I fulmini sono la causa principale dei danni e della distruzione dei sistemi di alimentazione e di trasmissione datti negli Stati Uniti. Nonostante sia aumentato il numero di apparecchiature per il condizionamento dei sistemi di alimentazione, questi problemi continuano ad aumentare. Il fatto che la situazione non migliori, può essere dovuto a numerose cause, tra le quali trova senz'altro un posto predominante l'aumento in larga scala di elementi elettronici sensibili come i circuiti integrati (i microprocessori), la rapida diffusione dei personal computer e l'uso ormai diffuso di linee di trasmissione dati ad elevata velocità come le reti locali (reti LAN).
Cos'è un Fulmine?

Un fulmine non è altro che una scarica di elettricità statica. Solitamente si genera in una nuvola temporalesca dove vengono prodotte cariche elettrostatiche che vengono separate da correnti d'aria molto veloci attraverso le particelle d'acqua e di ghiaccio in sospensione all'interno della nuvola. La carica elettrostatica che si può accumulare su una singola goccia d'acqua o su una particella di ghiaccio in sospensione è molto piccola, ma queste possono salire per cinque o sei miglia al di sopra del terreno e il fenomeno può coinvolgere più di un miglio cubico di aria e centinaia di tonnellate di vapore acqueo, ghiaccio e acqua allo stato liquido. Il totale delle cariche che si vengono così a separare all'interno di una nuvola può essere veramente elevato. Una nuvola temporalesca attiva può generare corrente per molti Ampere e differenze di potenziale rispetto a terra di 100 milioni di Volt. Le scariche si verificano più volte in un minuto all'interno di una cella temporalesca attiva, e molti temporali possono essere costituiti da molte celle. In genere si crede che i fulmini si producono quando il potenziale elettrico dell'aria tra le nuvole e il terreno supera una certa soglia, per cui scocca una scintilla tra le nuvole ed il terreno, ma questo succedere veramente di rado. Il campo elettrico necessario per provocare la perforazione dell'aria è veramente molto elevato e raramente si riesce a produrre al di fuori delle nuvole. L'idea che ci siamo fatti su come si verifica la perforazione dell'aria è il risultato di numerosi studi realizzati utilizzando le onde radio emesse dalle scintille nel momento in cui si formano nelle nuvole. Lavori pionieristici in questo campo furono eseguiti venti anni or sono dal CSIR in Sud Africa. Lavori recenti sono stati portati avanti dagli scienziati della NASA e da enti di ricerca sui fulmini dell'Università della Florida e dalla New Mexico Technology utilizzando le tecnologie più moderne. Questi studi hanno mostrato che la perforazione elettrica dell'aria, praticamente in tutti i fulmini, inizia nell'area dove è presente un campo elettrico veramente elevato, al centro della nuvola temporalesca. I ricercatori suppongono che la perforazione iniziale avvienga in conseguenza di piccole scintille prodotte tra gocce d'acqua fredda ed i piccoli cristalli di ghiaccio. Una volta che la scarica è iniziata, si propaga verso l'esterno coinvolgendo la gran parte delle cariche elettriche presenti nella nuvola. Dal punto iniziale si producono così delle diramazioni della scarica sia verso l'alto che verso il basso. La propagazione avviene a salti, durante i quali un fulmine avanza in genere di alcune centinaia di piedi. Tra un fase e la successiva la propagazione si arresta. La gran parte delle scariche elettriche avviene all'interno di una nuvola o tra due nuvole vicine. Solo una piccola percentuale, circa il 15%, esce dal corpo nuvoloso e si propaga verso terra. In questa piccola frazione di cariche che viaggiano verso terra, la perforazione dell'aria procede dalle aree in cui sono presenti cariche più negative procedendo verso il basso, sempre all'interno della nuvola, fino a quando la propagazione esce dalla nuvola e comincia a diffondersi nell'aria libera. A questo punto le scariche cominciano a propagarsi verso il basso in una serie di balzi successivi, caratterizzati da forte diramazione, che conservano una direzione preferenziale verso il basso. I fulmini pertanto iniziano sempre dalle nuvole temporalesche ad una distanza di due o tre miglia al di sopra della terra e si propagano in modo casuale verso il basso. Il punto in cui avviene la scintilla verso terra, chiamato il "punto di caduta del fulmine", è del tutto casuale e non prevedibile. Attualmente è possibile prevedere dove cadrà un fulmine solo a partire dagli ultimi cento piedi della discesa.
I Fulmini verso Terra

Quando un fulmine diretto verso il basso si trova ad alcune centinaia di piedi dalla terra, le cariche che trasporta provocano un elevato campo elettrico sulla superficie della terra. Questo campo attiva la formazione di molte scariche verso l'alto, specialmente sugli oggetti sporgenti. Una di queste scariche verso l'alto, o canali di collegamento, incontra il fulmine proveniente dall'alto. Immediatamente, dopo che i due percorsi si sono incontrati, le cariche elettriche immagazzinate nel canale discendente del fulmine vengono spinte verso terra lungo il percorso ascendente. Questo fenomeno provoca un impulso di corrente ad alto amperaggio e molto brevein durata che si scarica nel terreno o sugli oggetti più esposti. Questo impulso ha inizio dal terreno e si muove verso l'alto, fino a raggiungere la nuvola, ed è noto come colpo di ritorno. Se il collegamento elettrico tra la terra e la nuvola viene interrotto, le cariche accumulate tornano indietro disperdendosi nel terreno. Il colpo di ritorno può portare correnti molto elevate che vanno da 10kA a 500kA che scorrono per un intervallo di tempo brevissimo, circa un millesimo di secondo. Durante la scarica, permane un canale di collegamento elettrico tra la nuvola e il terreno. Questo percorso elettrico può quindi fungere da conduttore per la scarica di molte cariche generate nella nuvola. Dopo una pausa di circa un cinquantesimo di secondo, può propagarsi verso il basso una nuova scarica lungo il canale elettrico formatosi tra la nuvola e il terreno. Una volta raggiunto il terreno, anch'esso viene seguito dal suo colpo di ritorno. Questo percorso di scariche ripetute può ripetersi più volte. Sono state registrati fino a 25 scariche in un singolo fulmine, e la media è di due o tre. All'incirca un terzo dei fulmini sono composti da una sola scarica. Le correnti con cui si formano i canali elettrici sono relativamente basse, in genere alcune centinaia di Ampere e possono essere veramente molto brevi, alcuni microsecondi. La corrente di un colpo di ritorno, invece, può essere veramente elevata. Il novantacinque percento dei colpi di ritorno hanno picchi di corrente compresi tra 5kA e 100kA, anche se raramente queste correnti superano i 500kA. Il primo colpo di ritorno in genere trasporta una quantità di corrente da tre a cinque volte superiore a quella trasportata dalle scariche successive. Un colpo di ritorno si esaurisce nel giro di uno, dieci microsecondi e decade in alcune centinaia di microsecondi. Il 90% dei fulmini portano a terra cariche negative, mentre solo il restante 10% trasporta correnti positive; questi in genere risultano i più pericolosi e possono provocare i danni maggiori in quanto la quantità di cariche che trasportano è decisamente superiore.
I Fulmini negli Edifici

Quando un fulmine cade su un edificio, la corrente può entrare al suo interno in molti modi. I fulmini che cadono direttamente su un edificio in genere terminano la loro corsa sul tetto o sulle strutture montate sul tetto, ma possono riscaldare le parti che si protendono verso l'alto come le torri e i camini. Gli oggetti posti sul tetto dell'edificio sono i primi ad essere colpiti e tra essi troviamo le antenne TV e radio, le parabole satellitari, i sistemi di condizionamento dell'aria, le camere di sicurezza e i parafulmini. Spesso, quando un fulmine riscalda un parafulmine adeguatamente progettato, i percorsi ascendenti, attraverso cui avviene il collegamento tra terra e nuvola, vengono allontanati dalla maggior parte delle apparecchiature dislocate sul tetto dell'edificio che si trovano nelle immediate vicinanze. Ciò può far si che la corrente del fulmine si introduca nell'edificio attraverso i cavi dell'antenna e i cavi elettrici posti alla base dell'edificio. La corrente del fulmine può anche passare attraverso le strutture, specialmente attraverso le travi portanti in acciaio. Siccome molte delle apparecchiature di servizio all'interno di un edificio sono collegate alle strutture, vengono introdotti dei transitori nelle apparecchiature attraverso la terra. Questo significa che le linee elettriche, le linee telefoniche e quelle di trasmissione dati, le tubazioni dell'acqua e le condotte per il riscaldamento possono facilmente trasportare parte della corrente di un fulmine. Queste correnti spesso provocano danni alla apparecchiature elettroniche, soprattutto alle linee telefoniche e di trasmissione dati se non sono schermate o non sono protette. La protezione dai fulmini comincia a diventare un fattore molto importante in ambienti commerciali, industriali e militari
Fulmini a Terra: Effetti sulle Strutture
Scarica dei Fulmini verso Terra

I fulmini che si abbattono al suolo hanno origine principalmente nelle nuvole temporalesche all'interno della regione in cui si formano intensi campi elettrici, molte miglia al di sopra della superficie terrestre. La scarica si sviluppa sia verso l'alto che verso il basso fino a che le ramificazioni rivolte verso il suolo non fuoriescono dalle nuvole e si propagano verso il suolo. La prima parte della formazione di un fulmine è caratterizzata da avanzamenti a balzi o gradini intervallati da pause; in questa fase la propagazione della scarica è molto ramificata. Il percorso principale del fulmine e le sue ramificazioni trasportano una grande quantità di carica elettrica proveniente dalla nuvole, provocando la perforazione elettrica dell'aria e creando un canale ionizzato e quindi elettricamente conduttore. Non appena il canale principale giunge ad una distanza di qualche centinaio di piedi dal suolo, il campo elettrico raggiunge un livello tale per cui cominciano a formarsi canali conduttori provenienti dal terreno iniziando dai punti sopraelevati o dagli oggetti, come piante, tralicci ed edifici, prospicienti dal terreno. Quando uno di questi canali ascendenti incontra una ramificazione del canale discendente, si stabilisce un collegamento elettrico diretto tra il terreno e la nuvola attraverso il quale, in una frazione di secondo, passano le cariche elettrostatiche accumulate nella nuvola. Si ha così un improvviso impulso di corrente noto come colpo di ritorno. Una volta che si è formato il canale conduttore tra la nuvola e il suolo, possono verificarsi diverse scariche successive, provocando il fenomeno delle scariche successive. Sono le scariche di ritorno quelle che trasportano la maggior parte della corrente contenuta nel fulmine e sono quindi esse la causa dei danni provocati alle strutture e a ciò che contengono.
Effetto dei Fulmini Diretti

Quando un fulmine colpisce direttamente una struttura, l'enorme corrente trasportata dal colpo di ritorno viene iniettata direttamente nella struttura colpita. Questa corrente attraversa l'intero edificio passando per le sue strutture metalliche portanti, le strutture di rinforzo, i conduttori elettrici e le linee di alimentazione e di trasmissione dati. Questa situazione si verifica anche nel caso in cui la struttura sia dotata di un sistema di protezione contro i fulmini. Gli oggetti posti alla base delle strutture sono i più vulnerabili. Tra di essi ricordiamo le antenne, i sistemi di ricezione satellitare, gli impianti di condizionamento, le camere di sicurezza, i sistemi di controllo degli ascensori e gli impianti di illuminazione
Effetto dei Fulmini Indiretti

Anche se un fulmine non colpisce direttamente una struttura, può comunque danneggiarla indirettamente. Il fulmine può colpire una linea della rete di alimentazione ad una certa distanza dalla fabbrica, introducendo sbalzi di corrente che si propagano poi all'interno dell'edificio passando per l'ingresso principale del sistema di distribuzione. Spesso il fulmine può colpire i cavi di una linea telefonica o di una linea di trasmissione dati. I fulmini, inoltre, si comportano come dei potenti trasmettitori radio, specialmente durante il colpo di ritorno, e possono creare tensioni indotte estremamente elevate nei conduttori elettrici fino ad una distanza di un miglio e più. Queste tensioni indotte possono essere particolarmente pericolose se entrano nei cavi di una linea di trasmissione dati o nella rete telefonica e, in genere, possono danneggiare i dispositivi di interfaccia.

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