2

Introduzione

Negli ultimi tempi, le applicazioni dei campi elettromagnetici nel territorio,

negli ambienti di vita domestica e di lavoro hanno accresciuto la sensibilità della

popolazione ai problemi connessi all’esposizione ai campi elettromagnetici.

Oltre al campo elettromagnetico artificiale, generato da attività umane, è

presente nell’ambiente anche il campo elettromagnetico naturale, poiché qualsiasi

corpo che abbia una temperatura al di sopra dello “zero assoluto” (-273,15°C) emette

onde elettromagnetiche.

L’energia associata ad un’onda è legata alla frequenza e ciò conduce ad una

distinzione importante tra radiazione ionizzante (Ionizing Radiations, IR) e

radiazione non ionizzante (Non Ionizing Radiations, NIR). Le radiazioni ionizzanti,

che hanno frequenza superiore a quella ultravioletta, trasportano energia sufficiente

ad estrarre un elettrone dall’orbita più esterna dell’atomo. Le radiazioni non

ionizzanti riescono soltanto ad indurre correnti nei corpi e nei materiali ad esse

esposti; i campi oggetto delle misurazioni riportate in questa relazione riguardano

esclusivamente radiazioni non ionizzanti.

Per comprendere la portata dell’impatto ambientale dovuto alle emissioni

elettromagnetiche, basti ricordare che dal 1895, anno in cui Guglielmo Marconi iniziò

il suo primo esperimento sulla radiopropagazione ad oggi, l’aumento esponenziale

delle sorgenti elettromagnetiche artificiali ha prodotto un corrispondente aumento del

fondo elettromagnetico di circa un milione di volte e, agli attuali ritmi di crescita, si

prevede un raddoppio ogni 5 anni. Inoltre, in aggiunta agli apparati di comunicazione

e di trasporto dell’energia, occorre ricordare anche la presenza di un numero

elevatissimo di dispositivi elettrici-elettronici nell’ambiente domestico e lavorativo

difficile da censire.

La campagna di misurazioni, commissionata dalla Provincia di Ancona al

Dipartimento di Elettronica, ha interessato i Comuni di Ancona, Loreto e Senigallia

ed ha riguardato sia zone mai monitorate precedentemente, sia zone in cui era già

3

nota la presenza di un elevato campo elettromagnetico, e questo al fine di controllare

l’evoluzione temporale dei livelli di esposizione.

Per quanto concerne la città di Ancona sono state effettuate misurazioni in tutte

le zone indicate nella convenzione, la quale prende in esame essenzialmente le zone

urbane più frequentate dai cittadini. In questo caso, anziché riportare delle misure

puntuali, si è ritenuto più opportuno elaborare delle mappe di campo che, utilizzando

una opportuna scala di colori, dessero, sia qualitativamente che quantitativamente, un

immediato riscontro del livello di fondo del campo elettromagnetico. A queste

misurazioni previste dalla convenzione, su indicazione dei funzionari della Provincia,

si sono aggiunte delle misurazioni effettuate all’interno di quattro scuole della città,

segnalate successivamente e scelte per la vicinanza a trasmettitori per radiodiffusione

e stazioni radio base di telefonia cellulare.

Per quanto riguarda le città di Loreto e di Senigallia, i rilevamenti hanno

seguito la procedura standard della visita ai siti segnalati sotto la guida di persone del

luogo indicate dai referenti della Provincia, e i risultati delle misurazioni sono

riportati sotto forma di tabelle. Nella città di Loreto le misurazioni hanno interessato

anche campi elettromagnetici a frequenza industriale prodotti da linee e cabine per la

distribuzione dell’energia elettrica.

Oltre all’attività di misurazione dei campi, il Dipartimento ha fornito la propria

consulenza tecnica per la definizione delle specifiche tecniche di centraline di

monitoraggio permanente dei campi elettromagnetici ed un elenco di possibili

fornitori. In particolare, il funzionamento di due centraline commercialmente

disponibili è stato valutato presso il Laboratorio di Antenne del Dipartimento.

La presente relazione consta di una parte introduttiva in cui sono descritte le

caratteristiche delle principali sorgenti di campi elettromagnetici sia a frequenza

industriale che a radio frequenza; a seguire sono spiegate le tecniche di misurazione,

e sono riportate le caratteristiche della strumentazione utilizzata. Un’attenzione

particolare è stata rivolta alla valutazione dell’errore di misura e all’accuratezza dei

risultati.

4

Monitoraggio permanente

I livelli di campo elettromagnetico riscontrati nella campagna di misurazioni

effettuate nelle località indicate dalla Provincia mostrano chiaramente che, salvo

alcune eccezioni, peraltro segnalate nelle relative relazioni, l’esposizione della

popolazione è al di sotto dei valori limite previsti dalla legge 381/98. Com’era da

attendersi, i valori di campo più elevati si registrano in prossimità dei trasmettitori,

per cui un utile completamento dell’indagine sarebbe costituito da un censimento di

tutte le emittenti presenti nel territorio. Il posizionamento di centraline per il

monitoraggio continuo del campo elettromagnetico in prossimità di queste sorgenti

consentirebbe un totale controllo nel tempo delle emissioni elettromagnetiche, anche

considerando possibili sviluppi futuri delle comunicazioni mobili.

Un esperimento interessante potrebbe essere costituito dal posizionamento di una o

più stazioni di monitoraggio su autoveicoli, come ad esempio gli autobus di città, che

attraversano le zone più densamente abitate e più frequentate; ciò consentirebbe di avere il

livello medio statistico di campo elettromagnetico presente nell’ambiente.

Sulla base di queste considerazioni sono state formulate le specifiche tecniche che

debbono essere soddisfatte da tali apparati.

Specifiche per centraline di monitoraggio permanente del campo

elettromagnetico.

I Specifiche essenziali

I.1 Frequenza di misura 100kHz-3 GHz

I.2 Dinamica 0,5-100 V/m

I.3 Risoluzione 0,1 V/m

I.4 Incertezza del sensore alla frequenza di calibrazione ± 1 dB

I.5 Piattezza della risposta in frequenza del sensore ± 1,5 dB

5

I.6 Isotropicità del sensore ± 1,5 dB

I.7 Dimensioni inferiori a 30x30x75 cm

I.8 Peso inferiore a 10 Kg.

I.9 Idoneo a lavorare in ambiente esterno, con condizioni atmosferiche

avverse. In particolare per temperature esterne –10/+40 °C

I.10 Alimentazione autonoma mediante batterie interne ricaricate da pannelli

solari: autonomia in completa oscurità 7 gg.

I.11 Deve fornire il valore efficace del campo elettrico ottenuto misurando le

3 componenti ortogonali

I.12 Intervallo di campionamento del campo almeno 1 secondo

I.13 Invio dati del campo mediato su intervalli contigui di 6 minuti (media

quadratica) e del valore massimo riscontrato, in formato di tabelle e

grafico indicante data e ora di ogni intervallo

I.14 Possibilità di esportare i dati su file EXCEL

I.15 Trasmissione dati via rete GSM al PC. Inserire nella quotazione tutti gli

accessori necessari per il PC ed indicare i requisiti minimi per il PC

I.16 Compatibilità con sistema Windows (*)

I.17 Invio immediato allarme superamento soglia impostata

I.18 Invio immediato allarme antiscasso

I.19 Invio allarme batterie scariche e avviso di rientro (batterie in corretta

ricarica)

I.20 Indicazione mancata ricezione del report periodico

I.21 La trasmissione dati via GSM non deve influenzare la lettura del campo

I.22 Il software deve poter gestire più centraline. Indicare il numero di PC

necessari per 20 centraline

I.22 Risposta in frequenza effettuata su tutta la centralina con direzione di

illuminazione verso lato contenente il pannello solare. Deve contemplare

almeno le frequenze 1,100,500,900,1800 MHz.

6

I.23 Diagramma di ricezione su 2 piani ortogonali, di cui uno contenente

l’asse maggiore della centralina ed ortogonale al pannello solare, alle

frequenze di cui al punto precedente.

(*) e/o altri di interesse della Provincia

II Specifiche aggiuntive

II.1 Periodo di campionamento del campo inferiore al secondo.

II.2 Possibilità di inserire una sonda per la misura del campo magnetico a

frequenza industriale (50 Hz), con dinamica almeno 20 nT-2 mT.

Indicare se sono richiesti aggiornamenti software e quotarli.

II.3 Impostazione media aritmetica.

II.4 Calcolo campo medio su intervalli temporali di valore diverso (fino a

24h).

II.5 Invio dati sulle tre componenti spaziali di campo.

II.6 Fornire un report giornaliere tipo grafico con linea soglia impostata e

valore max sulle 24h.

II.7 Alimentazione esterna per mezzo batterie e/o rete di distribuzione

pubblica.

II.8 Possibilità di inserire via software fattori correttivi per tener conto della

risposta in frequenza e del diagramma di ricezione dell’intera centralina.

II.9 Estensione del temperatura di lavoro a + 55°C.

II.10 Invio allarme sonda guasta.

II.11 Invio allarme sovratemperatura interna.

II.12 Invio di tutti gli allarmi anche mediante SMS ad un numero prefissato.

II.13 Altre modalità di trasferimento dati (rete telefonica fissa, interfaccia

RS232, etc.).

7

II.14 Mantenimento dei dati nella memoria della centralina in caso di

impossibilità ad inviarli al PC. Indicare la capacità in giorni ipotizzando

la memorizzazione della media su intervalli contigui di 6 minuti e del

valore massimo.

III Costi

Ø Centralina.

Ø Software e licenze per gestire 20 centraline.

Ø Accessori per la trasmissione dati da applicare ad ogni PC richiesto.

Ø Sensore campo magnetico a 50 Hz e relativo aggiornamento software.

Ø Parti di ricambio:

1. sensore

2. batterie

3. pannello solare

4. sistema di trasmissione GSM

Ø Corso formazione.

Ø Contratto annuale di manutenzione con indicazione dei tempi di intervento e

localizzazione del centro servizi. Quotare opzione sostituzione temporanea

centralina guasta.

Ø Contratto per la calibrazione annuale. Indicare i tempi e quotare opzione

sostituzione centralina in calibrazione.

Ø Indicare le modalità e i tempi previsti per la trasmissione dati al PC via GSM,

ed indicare il costo stimato a tariffe TIM, ipotizzando un invio giornaliero dei

dati o comunque un numero di trasmissioni sufficiente a fornire il report sulle

24 ore.

Nell’ambito di una indagine conoscitiva per valutare le prestazioni di centraline

disponibili commercialmente, due di esse sono state installate sulla sommità della torre della

8

Facoltà di Ingegneria ed un esempio della registrazione dei dati viene di seguito riportata.

Picco Valor medio su 6’ Componnti x y z

Fig. 9.1. Andamento temporale del campo elettrico registrato da una

centralina di monitoraggio permanente: registrazione settimanale.

Si sottolinea come la grande mole di dati forniti dalle centraline necessita una

elaborazione degli stessi per fornire una adeguata sintesi agli Enti competenti per la

sorveglianza o alla stessa popolazione nell’ambito di campagne di informazione.

9

Ad esempio, viene di seguito riportata una sintesi su base giornaliera con

indicazione della soglia di attenzione (giallo) e di superamento limite (rosso).

Fig. 9.2. Andamento temporale del campo elettrico registrato da una centralina di monitoraggio permanente: registrazione giornaliera.

10

Sorgenti a RF

L’acronimo RF (radio frequency) ha un’accezione molto ampia e designa tutte

quelle frequenze che sono solitamente utilizzate per comunicazioni radio e per

lavorazioni industriali; per ciò che concerne il contesto dell’impatto ambientale, le

sorgenti di campi RF annoverano essenzialmente gli apparati che irradiano campi

elettromagnetici dalle frequenze dell’ordine del MHz (tipiche della radiodiffusione in

AM), fino alle frequenze di alcuni GHz (tipiche della telefonia mobile), includendo

così in questo intervallo tutti gli apparati di diffusione televisiva e gli impianti per

lavorazioni industriali.

3.1 Sorgenti naturali

I corpi celesti emettono delle radiazioni elettromagnetiche conosciute come

rumore di fondo, che spesso interferisce con apparati radio terrestri.

Mentre le onde elettromagnetiche, nel visibile, hanno origine termica; le onde

radio, che provengono dallo spazio cosmico, sono dovute prevalentemente ai

movimenti macroscopici delle particelle cariche.

Se si considera il rumore di fondo nel visibile, il Sole emette una energia un miliardo di volte superiore a quello di tutti gli altri corpi celesti presi insieme; nella finestra radio, invece, la massima radiazione proviene dalla Via Lattea.

Fig. 3.1. Radiazione del sole quieto. Nella fig. 3.1 è riportato lo spettro relativo alla radioemissione del Sole quieto,

caratterizzato da periodi di minimo e di massimo flusso che si ripetono in un ciclo di

undici anni.

11

3.2 Sorgenti artificiali

I principali apparati che generano radiazioni elettromagnetiche a

radiofrequenze e microonde possono essere suddivisi in tre grandi categorie:

• riscaldatori industriali

• apparecchiature per applicazioni biomedicali

• apparati per telecomunicazioni

Mentre le prime due categorie riguardano in particolar modo il personale che opera

nel settore, l’ultimo riguarda più da vicino l’intera popolazione.

Riscaldatori industriali

Tab.3.1. Principali riscaldatori industriali.

Esistono moltissimi apparati industriali che sfruttano la trasformazione

dell’energia elettromagnetica in calore; ne sono un esempio i forni ad induzione che

generano correnti di Focault per riscaldare materiale attraverso l’effetto Joule.

Per tutelare il personale operante e per realizzare un notevole risparmio

Riscaldatori industriali

Applicazioni Lavorazioni Frequenze di lavoro

Industria del legno

- Incollaggio - Laminazione - Piegatura a caldo - Essiccazione carta

3 ÷ 15 MHz

Industria della plastica

- Saldatura - Preriscaldamento

resine termoindurenti - Prevulcanizzazione

della gomma

10 ÷ 50 MHz A perdite dielettriche

Industria tessile

- Essiccatoi - Riscaldamento balle

di lana, cotone, fibre vegetali, ecc.

3 ÷ 15 MHz

Industria metallurgica

- Saldatura metalli - Tempera metalli 200 ÷ 500 kHz A induzione

magnetica Industria siderurgica - Fusione 200 ÷ 500 kHz

12

energetico, i campi elettromagnetici generati per riscaldare materiali vengono

prodotti solo in una regione di spazio limitato.

Anche se questi apparati sono soggetti a rigorosi controlli e a normative

stringenti, possono verificarsi indesiderate esposizioni a campi elettromagnetici,

soprattuto a carico del personale addetto al loro funzionamento.

La tabella 3.1 riporta un breve elenco dei principali riscaldatori industriali, i

campi di applicazione e le frequenze di utilizzo.

Apparecchiature per applicazioni biomedicali

Sono ormai molti anni che nel settore medico vengono utilizzate molte

apparecchiature che impiegano radiazioni elettromagnetiche per diagnosi più

dettagliate o a scopo terapeutico.

Alcune apparecchiature, sia nel settore pubblico che privato, possono però

essere sorgenti indesiderate di campi elettromagnetici.

Il problema riguarda sia i pazienti che si sottopongono a terapie che prevedono

l’utilizzo di queste apparecchiature, sia personale addetto all’assistenza e alla

preparazione delle macchine. I primi vengono sottoposti a campi elevati ma per un

breve tempo, mentre gli altri a livelli di campo meno intensi ma per più ore al giorno.

Apparati per telecomunicazioni

A differenza delle altre due tipologie di apparati, industriali e biomedicali, che

generano campi anche intensi ma in ambienti circoscritti e schermati, il

funzionamento stesso di un sistema di telecomunicazioni prevede la copertura di una

vasta regione con intensità di campo dettate dalle esigenze di servizio.

Distinguiamo due tipologie di impianti in base al tipo di collegamento che

questi debbono realizzare.

• Gli impianti radiofonici (FM, AM) e quelli televisivi (TV) debbono garantire la

copertura del territorio e hanno potenze che variano da alcuni W ad alcune decine di

kW. Analoga finalità hanno anche gli impianti di telefonia cellulare. La potenza

13

utilizzata può variare da qualche W a circa 300W, ma solitamente le potenze di

esercizio non si superano i 50W.

• Un secondo tipo di collegamento è quello punto-punto (ponte radio) Le potenze

irradiate non sono elevate, qualche decina di W, perché l’energia non va distribuita

in un tutto lo spazio circostante l’antenna, ma entro un cono limitato alla direzione

del collegamento.

Per quanto concerne l’impatto ambientale, il primo tipo di impianti è

sicuramente quello da considerare, e pertanto ne verranno analizzati con maggior

dettaglio i componenti principali.

Un elemento essenziale che caratterizza un sistema di telecomunicazione che utilizza i principi della propagazione libera è l’antenna.

L’antenna è un dispositivo atto ad irradiare nello spazio energia

elettromagnetica o a riceverla. Essa rappresenta l’elemento di passaggio che permette

la transizione da un’onda elettromagnetica guidata mediante una linea di trasmissione

(cavo coassiale o guida d’onda), ad un’onda elettromagnetica che si propaga nello

spazio libero.

Al fine della valutazione dell’impatto ambientale, i parametri più importanti

dell’antenna che devono essere considerati sono la direttività (guadagno) e il

diagramma di radiazione.

Il campo d’irradiazione che circonda un’antenna reale non è uniformemente distribuito in tutte le direzioni, ma, a parità di distanza dall’antenna, in alcune direzioni preferenziali risulta più intenso che in altre. In altre parole, l’energia irradiata appare concentrata in alcune direzioni a scapito di altre.

Questo comportamento viene descritto mediante la direttività, che esprime come la maggior potenza che si riesce ad irradiare in una certa direzione si ottenga riducendo la potenza emessa in tutte le altre direzioni.

Quantitativamente la direttività è esprimibile come il rapporto tra l’intensità di radiazione nella direzione in cui questa è massima, e l’intensità di radiazione media, cioè l’intensità che si avrebbe se l’antenna irradiasse la stessa potenza uniformemente in tutte le direzioni.

Strettamente correlato alla direttività è il diagramma di radiazione, il quale è una rappresentazione grafica dell’intensità del campo elettromagnetico (o della densità di potenza), normalizzato rispetto al suo valore massimo. I diagrammi di radiazione vengono solitamente visualizzati con grafici in coordinate polari, azimut

14

ed elevazione, e sono relativi alla distribuzione dei campi nei due piani principali dell’antenna, orizzontale e verticale, fig. 3.2.

Fig.3.2. Diagramma di radiazione nei piani orizzontale e verticale, tipico di un’antenna per stazione radio-base usata

per la telefonia mobile; nella figura di destra è ben visibile anche il “tilt” verticale del diagramma.

Un’altra caratteristica, direttamente deducibile dal diagramma di radiazione e

che consente un agevole confronto tra antenne diverse, è l’apertura del lobo principale (o larghezza del fascio).

Tale parametro indica l’angolo entro il quale la densità di potenza irradiata supera la metà di quella che si misura nella direzione di massimo irraggiamento, cioè l’angolo individuato dai punti a –3dB sul diagramma d’irradiazione. Nella fig. 3.3 si può osservare una rappresentazione grafica dell’apertura del lobo principale in scala lineare (a) e in scala logaritmica (b). Fig.3.3. Rappresentazione grafica del lobo principale.

Grandezze significative per valutare l’esposizione

Poiché a RF l’effetto sul quale si basano gli attuali vincoli normativi è il

riscaldamento dei tessuti, il parametro significativo, in tal senso, è la densità di

potenza incidente. Questa quantità non è direttamente misurabile, in modo semplice

15

ed economico, per cui sono stati derivati limiti per il campo elettrico e per quello

magnetico. Le misure di una o dell’altra grandezza sono equivalenti in zona di campo

lontano dall’antenna trasmittente, in quanto sono legate da un parametro noto che è

l’impedenza d’onda nel mezzo (377 Ω in aria). Viceversa, in zona di campo vicino,

una delle due diventa più significativa in relazione al tipo di antenna: il campo

elettrico nel caso di sorgenti cosiddette “elettriche” (ad esempio nelle schiere di

dipoli), il campo magnetico nel caso di sorgenti cosiddette “magnetiche” (ad esempio

forni a induzione). L’assenza di informazioni sulla sorgente impone la misura di

entrambe le componenti, che devono entrambe soddisfare i limiti prescritti.

Sorgenti ad ELF L’acronimo ELF (extremely low frequency) designa la banda di frequenze da

30 a 300 Hz (cui corrispondono lunghezze d’onda da 1000 a 10000 km); per ciò che

concerne il contesto dell’impatto ambientale, le sorgenti di campi ELF annoverano

essenzialmente gli apparati e linee di distribuzione dell’energia elettrica che lavorano

a frequenza industriale, 50 Hz nel nostro Paese.

2.1 Il campo elettromagnetico naturale

Come già accennato nell’introduzione esiste un fondo elettromagnetico

naturale generato da tutti i corpi che si trovano ad una temperatura superiore allo zero

assoluto. Tutte queste sorgenti si possono riassumere in due macro gruppi, le

emissioni naturali di provenienza cosmica e quelle di provenienza terrestre.

Le radiazioni cosmiche sono generate da tutti i corpi celesti che circondano la

Terra, il più importante dei quali, ai fini dell’emissione elettromagnetica, è il Sole

mentre le altre stelle influiscono, ma in modo minore a causa della loro elevata

distanza. Le radiazioni terrestri sono principalmente attribuibili al campo magnetico

terrestre e alle scariche elettriche atmosferiche.

16

L’intensità del campo magnetico statico terrestre è mediamente di circa 50µT;

quello generato dall’emissione del Sole è di circa 40nT e quello dovuto alla Luna

risulta dieci - quindici volte più piccolo di quello del Sole. Considerando la somma

dei vari contributi si arriva ad un fondo magnetico naturale di 30÷60µT.

Per completezza occorre ricordare anche l’esistenza di un campo elettrico

statico dovuto alla differenza di potenziale tra il suolo e l’atmosfera. Tale valore non

è costante ma è influenzato dalla temperatura, dalla quota e dall’umidità; solitamente

il campo elettrico statico è dell’ordine di 120V/m ma in presenza di celle

temporalesche può arrivare fino a 300kV/m, dando luogo al fenomeno dei fulmini.

2.2 Il campo elettromagnetico nell’ambiente domestico

In ogni casa ci sono molte sorgenti di campo elettromagnetico, come impianti

che forniscono la forza elettromotrice, l’illuminazione, i vari elettrodomestici presenti

e i relativi cavi di alimentazione.

Per i campi a bassa frequenza, quasi statici, il campo elettrico e quello

magnetico possono essere analizzati in modo separato, per cui è possibile evidenziare

un differente comportamento delle due componenti in relazione all’ambiente: quella

elettrica è totalmente schermata dalle pareti dell’edificio, mentre quella magnetica

non è apprezzabilmente modificata dalla presenza di oggetti o muri.

Risulta difficile considerare tutti i possibili elettrodomestici presenti in una

casa per cui, a titolo esemplificativo, nel grafico di fig. 2.1 è riportato l’andamento

dell’induzione magnetica, al variare della distanza, di alcuni apparecchi (TV a 25’,

lavatrice, radiosveglia 3W di alta qualità).

In fig. 2.2 è mostrata, invece, l’induzione magnetica di fondo misurata su 11

appartamenti. Come mostrato in figura anche se il valore medio risulta circa 50nT in

alcuni punti può raggiungere anche 0,3µT.

17

Fig. 2.1. Andamento in funzione della distanza dell’induzione magnetica

prodotta da alcuni comuni elettrodomestici

Fig.2.2 Induzione magnetica tipica di fondo misurata in alcuni appartamenti di una zona residenziale.

Variazioni temporali dell’induzione magnetica si verificano in corrispondenza

delle variazioni di assorbimento dei carichi alimentati. Si riporta in fig. 2.3 la

fluttuazione del campo verificatasi nell’arco di 24 ore in un appartamento, ad 1m di

altezza rispetto alla pavimentazione.

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50

distanza [cm]

indu

zion

e m

agne

tica

[µT

]TVlavatriceradiosveglia

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

appartamenti

indu

zion

e m

agne

tica

[µT

]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

15.4

5

17.1

5

18.4

5

20.1

5

21.4

5

23.1

5

0.45

2.15

3.45

5.15

6.45

8.15

9.45

11.1

5

12.4

5

14.0

5

15.3

5

ore minuti

indu

zzio

ne m

agne

tica

[µT

]

18

Fig.2.3. Fluttuazione tipica dell’induzione magnetica all’interno di un

appartamento nell’arco di 24 ore.

2.3 Gli elettrodotti

Le principali sorgenti artificiali di campi elettromagnetici a bassa frequenza

sono gli elettrodotti. Tutte le reti di distribuzioni dell’energia elettrica vengono

realizzate utilizzando dei livelli di tensione elevati, i quali vengono ridotti

avvicinandosi ai centri urbani in cui la distribuzione diventa più capillare. Si cerca di

trasportare l’energia con una tensione abbastanza alta perché questo garantisce, a

parità di potenza trasportata, una corrente minore. Una corrente minore implica una

potenza dissipata nei cavi minore e quindi meno perdite lungo la linea.

I livelli di tensione utilizzati per la distribuzione di energia elettrica in Italia sono:

• Alta Tensione (AT) o Altissima Tensione (AAT): 380kV, 220kV, 120-150kV.

Vengono adottati per trasportare elevate potenze su medie e lunghe distanze.

• Media Tensione (MT): 30kV, 25kV, 20kV. E’ utilizzata per trasportare potenze

minori su brevi tratti, alcuni km, o in zone urbane.

• Bassa Tensione (BT) 380V, 220V. E’ utilizzata per la distribuzione domestica.

A titolo di esempio la tabella 2.1 riporta l’estensione degli elettrodotti in AT.

19

Tab.2.1 Estensione della rete di distribuzione dell’energia elettrica in

Italia.

Linee aeree

Quasi la totalità della distribuzione di energia in Italia è ottenuta con linee

aeree. Pur non conoscendo i reali rischi associati alla presenza di campi

elettromagnetici a frequenza industriale, si cerca di trovare modelli per valutare i

campi generati dai diversi elettrodotti, ed i possibili rimedi per abbassare questi livelli

di campo.

L’approssimazione quasi-statica permette di analizzare i due campi, elettrico e

magnetico, in modo separato. Il campo elettrico prodotto da un sistema polifase di

conduttori posti entro uno spazio imperturbato, è esprimibile con un vettore di

intensità E che ruota in un piano trasversale rispetto ai conduttori descrivendo

un’ellisse. Esso è sempre presente appena la linea si mette in tensione

indipendentemente dal fatto che essa trasporti o meno potenza. Il campo magnetico H

è un vettore ortogonale al campo elettrico, ed è associato alla corrente (quindi alla

potenza) trasportata. Nel caso di un sistema polifase in corrente alternata, il vettore

campo magnetico nasce dalla composizione dei contributi di tutte le correnti

circolanti nei conduttori e, come per il campo elettrico, ruota su un piano trasversale

descrivendo un’ellisse.

La fig. 2.4 mostra una tipica campata (con pali di estremità a dislivello) di una

linea 132kV, 300A a doppia terna.

livello km semplice km doppiadi tensione terna terna

380 kV 8.992 9.770 8.214 1.556

220 kV 8.404 10.339 6.469 3.870

120-150 kV 16.007 17.125 14.889 2.236

km linea km terna

20

Fig.2.4 Campata di una linea 132kV, 300A, a doppia terna.

Nella fig. 2.5 si può osservare la distribuzione spaziale del campo elettrico e

dell’induzione magnetica in una fascia di ±50m dall’asse della linea.

Fig.2.5. Distribuzione spaziale del campo elettrico (a sinistra) e dell’induzione magnetica (a destra) sotto una linea di distribuzione dell’energia elettrica.

Considerando i valori ad una altezza di 1,5m dal suolo, e sotto al punto più

basso della campata che dista dal suolo circa 18m (vedi fig. 2.4), il campo elettrico

mostra due massimi pari a circa 0,28kV/m, mentre l’induzione magnetica ha un solo

21

massimo, pari a circa 1µT.

Risanamenti di linee aeree

Le grandezze che determinano l’intensità e la distribuzione della induzione di

campo magnetico nello spazio circostante un elettrodotto sono:

1) distanza tra i conduttori della linea;

2) disposizione mutua tra i conduttori di fase;

3) utilizzo di terne multiple;

4) presenza di circuiti compensatori (passivi o attivi).

1) Come mostra la fig.2.6 con un supporto a “V” si riesce ad avvicinare una

doppia terna unificata a 132kV ottenendo una linea compatta, con una riduzione da

14µT a 10µT proprio sotto la linea.

Fig.2.6. Confronto tra i valori di induzione magnetica di una doppia terna

unificata a 132kV e di una soluzione compatta.

2) Dalle due figure 2.7 si nota come anche l’allineamento dei conduttori, da

orizzontale a verticale, riesca a ridurre l’induzione di campo da 0,85µT a 0,42µT.

Cambiando la disposizione delle fasi dalla situazione simmetrica a quella

22

antisimmetrica si ottiene una riduzione da 0,8µT a 0,32µT.

Fig.2.7. Influenza dell’allineamento e della disposizione delle fasi sul

valore dell’induzione magnetica.

3) L’utilizzo di terne multiple è una soluzione che si ottiene dallo

sdoppiamento dei conduttori, ottenendo da una singola terna due terne

antisimmetriche, con una riduzione fino al 90% dell’induzione magnetica.

4) La compensazione passiva si ottiene disponendo sotto ai fili della linea un

loop passivo: le correnti indotte dal campo magnetico prodotto dalla linea generano a

loro volta un campo magnetico che tende a compensare parzialmente il campo

inducente.

E’ stato verificato che, in una linea a 380kV con un loop di compensazione lungo

400m e largo 30m, si è ottenuta una riduzione da 25µT a 15µT (vedi fig.2.8). Occorre

precisare che è una tecnica innovativa di cui esistono solo due applicazioni negli Stati

Uniti.

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Fig.2.8. Calcolo dell’induzione magnetica attenuata dall’applicazione di un

loop di compensazione.

Per alcune di queste tecniche esistono delle limitazioni fisiche alla loro

applicabilità. Ad esempio per le linee AAT, la riduzione della distanza tra le fasi è

condizionata dalla necessità di controllare l’effetto corona (rumore acustico), oppure

lo sdoppiamento delle terne implica un peso maggiore sui tralicci e quindi occorre,

ovviamente, ridurre il passo della singola campata. Tutto questo si traduce in un costo

maggiore, di circa due volte per le linee compatte o sdoppiamento di terne e di circa

una volta e mezzo per i loop passivi.

Cavi interrati

I fattori che influenzano il campo magnetico, prodotto da un cavo interrato,

sono: distanza tra le fasi, profondità di posa, geometria di posa e le correnti indotte

dal campo magnetico stesso nelle guaine metalliche.

Sostanzialmente ci sono tre modi diversi per posare un cavo interrato; posa

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piana: i tre cavi sono disposti in una linea orizzontale; a trifoglio: sono disposti uno

vicino all’altro a 120°; a separazione di fasi: con l’ausilio di cinque cavi, la terra al

centro e gli altri quattro messi in modo che ogni coppia di fasi abbia nel mezzo il

cavo di terra.

Fig.2.9. Effetto della diversa tipologia di schermatura sull’induzione magnetica.

Oltre alla disposizione si può introdurre anche uno schermo più o meno aperto

che abbassa ulteriormente il campo magnetico in superficie, vedi fig.2.9.

Quello che però risulta più interessante è il confronto tra una linea aerea e una

in cavo. Come si vede nella fig.2.10, vengono confrontate due linee a doppia terna a

380kV, una aerea (con il cavo più basso distante dal suolo 11,34m) ed una interrata

(con una profondità di posa pari a 1,2m). Entro i 3m la linea interrata presenta

un’induzione di 45µT, maggiore di quasi 20µT rispetto a quella aerea. Superati i

10m, la linea interrata presenta un’induzione magnetica di circa 1µT rispetto ai quasi

20µT di quella aerea.

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Fig.2.10. Confronto tra l’induzione magnetica di una linea aerea ed una in cavo.

Un’altra tipologia di cavi è detta EBLI (Elettrodotti BLIndati) o GLI (Gas-

Insulated Transmission Lines). La tecnica costruttiva prevede la realizzazione di tre

condotti unipolari in cui le fasi sono disposte entro un solo involucro. Il conduttore di

fase tubolare è mantenuto in posizione centrale da un isolatore in resina all’interno di

un involucro, che viene riempito con una miscela di SF 6 /N 2 ad alta pressione

(9,9atm) che consente un elevato isolamento, vedi fig. 2.11.

Fig.2.11. EBLI con uno schermo addizionale metallico

Questa tecnologia consente di trasportare la stessa potenza di una linea aerea

con tensioni minori ma correnti maggiori; ad esempio una linea EBLI con 220kV e

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correnti di fase di 2200A porta una potenza di 840MVA, paragonabile ad una linea

aerea con 380kV e 1300A .

Fig.2.12. Confronto dei valori di induzione magnetica generati da una linea aerea 380kV, 840MVA e da un EBLI 220kV, 840MVA.

Queste linee generano un’induzione magnetica minore rispetto ai cavi normali

(vedi fig.2.12), con un massimo di 2µT che scende a 0,1µT alla distanza di circa 10m.

Relativamente ai costi, un cavo interrato semplice costa dalle tre alle sei/sette

volte di più di una semplice linea aerea. Con un EBLI, invece, applicando una

metodologia d’analisi che tenga conto di fattori come risparmio energetico, durata,

oneri sul territorio, a parità di induzione magnetica, si ottiene un costo per unità di

potenza di circa 0,5÷0,9 volte rispetto ad una linea aerea.

In definitiva quindi, per i nuovi impianti, le linee EBLI rappresentano una

concreta alternativa alle linee tradizionali.

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2.4 Cabine elettriche MT/BT

Occorre dare un’elevata importanza alle cabine di trasformazione in quanto

sono estremamente diffuse nel tessuto urbano, spesso inserite in abitazioni.

Generalmente l’induzione magnetica di una cabina è molto elevata in

corrispondenza del trasformatore; è noto come la principale causa di forti campi

magnetici sia legata al flusso disperso del trasformatore (causato dal suo

invecchiamento). E’ questo un campo fortemente localizzato, e decresce rapidamente

con l’aumento della distanza dalla sorgente.

Valori di induzione magnetica non trascurabili a notevole distanza dalla

costruzione sono, invece, dovuti alla presenza di cavi interrati che dipartono dalla

cabina stessa, Aacausa dalla bassa profondità d’interramento.

2.5 Linee elettriche delle Ferrovie dello Stato

Oltre agli elettrodotti già esaminati, sono da considerare anche le linee per la

distribuzione dell’energia elettrica alla rete delle Ferrovie dello Stato (generalmente

operano alla tensione di 132kV). La sostanziale differenza dagli altri elettrodotti è il

fatto che la corrente varia moltissimo nell’arco della giornata, e, conseguentemente,

questo provoca un campo magnetico fortemente variabile nel tempo, mentre il campo

elettrico, che per sua natura dipende dalla tensione, risulta praticamente costante nel

tempo (variazioni inferiori al 5%).

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Normativa

4.1 Campi a radiofrequenza

Gli attuali limiti previsti per l’esposizione si basano sulla

limitazione degli effetti a breve termine prodotti dal riscaldamento dei

tessuti ad opera del campo elettromagnetico. In tal senso viene posto un

limite al Tasso di Assorbimento Specifico (SAR) pari a 0,08 W/Kg per la

popolazione. Sulla base di questa grandezza, non direttamente

misurabile, vengono poi fissati limiti cosiddetti “derivati” alle quantità

fisiche misurabili direttamente, e correlate al SAR: densità di potenza

incidente, campo elettrico e campo magnetico.

A livello internazionale si può far riferimento alle raccomandazioni emesse

dall’ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection):

Guidelines for limiting exposure to time-variyng electric, magnetic and

electromagnetic fields (up to 300 GHz). Si riportano nella seguente tabella 4.1 i limiti

proposti, mentre il testo integrale della guida può essere consultato al sito

www.icnirp.de.

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Tab. 4.1. Limiti per l’esposizione umana ai campi elettromagnetici previsti

dall’ICNIRP.

A livello europeo sono state emanate delle norme sperimentali CEI ENV

50166-2 (fascicolo 2551E) “Esposizione umana ai campi elettromagnetici. Alta

frequenza (10 kHz-300GHz).”

Si riportano in tabella 4.2 i limiti previsti per la popolazione.

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Tab. 4.2. Limiti per l’esposizione umana ai campi elettromagnetici previsti

dalla norma europea.

In ambito nazionale è in vigore dal 1998 il Decreto 10/09/1998 n. 381 che

riguarda sistemi fissi di telecomunicazioni e di radio e telediffusione operanti

nell’intervallo di frequenza compresa fra 100kHz e 300GHz.

Nella tabella 4.3 si riportano i limiti previsti

Tab. 4.3. Limiti per l’esposizione umana ai campi elettromagnetici previsti

dalla legge italiana.

Oltre ai suddetti limiti il Decreto fissa degli obiettivi di qualità per il

raggiungimento dei quali si indicano dei criteri di progettazione e realizzazione degli

impianti che debbono avvenire in modo da produrre i valori di campo

elettromagnetico più bassi possibile, compatibilmente con la qualità del servizio

svolto dal sistema stesso, al fine di minimizzare l’esposizione della popolazione. In

tal senso, si stabilisce che in corrispondenza di edifici abitati con permanenze non

inferiori a quattro ore non devono essere superati i 6 V/m, indipendentemente dalla

frequenza, mediati su un’area equivalente alla sezione verticale del corpo umano e su

qualsiasi intervallo di sei minuti.

4.2 Campi a frequenza industriale

Valore efficace Valore efficace Densità

Frequenza di intensità di intensità di di potenzaf [MHz] di campo campo magnetico dell'onda piana

elettrico E [V/m] H [A/m] / B [µT] equivalente [W/m2]

0,1 ÷ 3 60 0,2 / 0,25 -

>3 ÷ 3000 20 0,05 / 0,063 1

>3000 ÷ 300000 40 0,1 / 0,13 4

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Gli attuali limiti previsti per l’esposizione si basano sulla limitazione degli

effetti acuti dovuti alle correnti indotte. I valori fissati dall’ICNIRP sono deducibili

dalla tabella 4.1 che si estende fino a 0 Hz.

Per una frequenza pari a 50 Hz otteniamo:

• Campo

elettrico 5 kV/m

• Induzione

magnetica 100 µT

A livello europeo è presente anche in questo caso una norma sperimentale, la

CEI ENV 50166-1, duale della precedente per la gamma di frequenze 0 Hz - 10 kHz.

In tabella 4.4 si riportano i valori corrispondenti.

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Tab. 4.4. Limiti per l’esposizione umana ai campi elettromagnetici previsti

dalla norma europea (bassa frequenza).

I limiti di esposizione a campi magnetici a frequenza industriale,

attualmente in vigore in Italia, sono indicati nel DPCM 23/4/92 (G.U. n.

104 del 6 Maggio 1992) che sono qui riportati:

per un tempo di permanenza “che sia una parte significativa della giornata”

• campo elettrico 5 kV/m

• induzione magnetica max. 100 µT

per un tempo di permanenza “che sia ragionevolmente limitato a poche ore al giorno”

• campo elettrico 10 kV/m

• induzione magnetica max. 1 mT

E’ doveroso segnalare che l’attenzione del legislatore, tenendo conto dei

suggerimenti provenienti dalla comunità scientifica, si sta orientando a considerare

anche possibili effetti legati ad esposizioni prolungate nel tempo. Ciò porterà ad una

drastica riduzione degli attuali limiti con livelli di attenzione dell’ordine del

microtesla per l’induzione magnetica. I valori definitivi, a tutt’oggi oggetto di

discussioni, verranno stabiliti dai decreti attuativi della “Legge quadro sulla

protezione dalle esposizioni a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici”, n.36 del

22-2-2001 pubblicata sulla G.U. n.55 del 7-3-2001.