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Conoscenza del settore

In che modo la classe di tensione determina la struttura del cavo di alimentazione dall'interno verso l'esterno

La classificazione della tensione è il parametro di progettazione più importante per a cavo di alimentazione e guida le decisioni di costruzione a ogni livello: conduttore, isolamento, schermatura e rivestimento. I cavi di alimentazione sono sostanzialmente suddivisi in bassa tensione (LV, fino a 1 kV), media tensione (MV, da 1 kV a 35 kV) e alta tensione (HV, superiore a 35 kV). Ogni aumento della classe di tensione introduce requisiti costruttivi che vanno ben oltre il semplice aumento dello spessore della parete isolante.

A livello di bassa tensione, la funzione di isolamento primario è quella di impedire il contatto con conduttori sotto tensione e resistere ai modesti gradienti di campo elettrico presenti. Le pareti isolanti in PVC e XLPE da 0,7–1,0 mm sono sufficienti per cavi con tensione nominale di 0,6/1 kV. La distribuzione del campo elettrico a questa tensione è relativamente uniforme e non sono necessari strati di classificazione del campo. I cavi di media tensione, tuttavia, funzionano con intensità di campo elettrico in cui la concentrazione del campo in corrispondenza delle irregolarità della superficie del conduttore – bordi dei trefoli, ossidazione superficiale, sporgenze microscopiche – può avviare scariche parziali che erodono l’isolamento nel tempo. Questo è il motivo per cui i cavi MT richiedono uno schermo conduttore: uno strato di composto semiconduttore applicato direttamente sul conduttore che attenua il campo elettrico presentando all'isolante una superficie equipotenziale continua e uniforme. Uno schermo isolante corrispondente sulla superficie esterna dell'isolamento svolge la stessa funzione nell'interfaccia isolamento-schermo.

Lo schermo isolante nei cavi MT deve essere incollato (non rimovibile) o semi-incollato (rimovibile) a seconda del metodo di terminazione. Gli schermi non staccabili richiedono utensili da taglio e una tecnica attenta alle estremità dei cavi per evitare di intaccare la superficie isolante; gli schermi rimuovibili consentono di rimuovere in modo pulito lo strato semiconduttore, ma introducono un'interfaccia definita che deve essere gestita per impedire l'ingresso di umidità al confine tra schermo e isolamento. A tensioni superiori a 15 kV, lo schermo metallico sopra lo schermo isolante deve trasportare l'intera corrente di carica capacitiva del cavo, che diventa significativa su cavi lunghi, un fattore che determina la sezione trasversale del conduttore dello schermo indipendentemente da qualsiasi requisito di corrente di guasto.

Confronto degli isolamenti XLPE ed EPR nelle applicazioni dei cavi di alimentazione a media tensione

Per media tensione cavo di alimentazione Oggi, la scelta tra l'isolamento in polietilene reticolato (XLPE) e gomma etilene propilene (EPR) è una delle decisioni sui materiali più importanti ed è spesso presa solo sulla base del prezzo, il che porta costantemente a disallineamenti delle prestazioni in ambienti difficili. Ogni materiale ha un profilo prestazionale veramente diverso che corrisponde a condizioni applicative specifiche.

La differenza più significativa dal punto di vista pratico tra i due materiali è la resistenza all'acqua. Gli alberi acquatici sono canali di degradazione dendritica che si propagano attraverso l'isolamento a base di polietilene in presenza di umidità e stress del campo elettrico CA. L'XLPE standard è suscettibile alla formazione di alberi d'acqua per periodi di servizio di 10-20 anni in installazioni umide o interrate direttamente. I composti XLPE ritardanti l'albero (TR-XLPE) con additivi che inibiscono l'innesco dell'albero sono disponibili e ampiamente utilizzati nei cavi di distribuzione dei servizi pubblici, ma aumentano i costi e richiedono al produttore di reperire e qualificare formulazioni di composti specifici. L'EPR, essendo un composto di gomma con struttura molecolare e caratteristiche di permeabilità all'umidità fondamentalmente diverse, è intrinsecamente resistente alla formazione d'acqua senza additivi aggiuntivi. Per i cavi installati in interrati diretti, condotti allagati o applicazioni sottomarine, la resistenza all'umidità dell'EPR lo rende la scelta tecnicamente corretta indipendentemente dal sovrapprezzo.

La costante dielettrica inferiore di XLPE offre un vantaggio in termini di efficienza di trasmissione su cavi lunghi a media e alta tensione, poiché la corrente di carica capacitiva, che scorre anche quando non è collegato alcun carico, è proporzionale alla costante dielettrica. Nei sistemi di cavi in ​​cui la corrente di carica rappresenta una frazione significativa della portata termica del cavo (tipicamente cavi più lunghi di 10-15 km a 33 kV), il valore εr inferiore di XLPE si traduce direttamente in capacità di carico utilizzabile.

Selezione dell'armatura per cavi di alimentazione: filo di acciaio, nastro di acciaio e filo di alluminio a confronto

La protezione meccanica tramite armatura è necessaria ogni volta che un cavo di alimentazione deve resistere a sollecitazioni di installazione: trazione, compressione da materiale di riempimento, impatto di macchinari di scavo o pressione da cavi appoggiati su strutture di supporto su lunghe campate. La scelta del tipo di armatura influisce non solo sulle prestazioni meccaniche ma anche sul comportamento elettrico CA, sul peso e sulla resistenza alla corrosione del cavo in modi che spesso vengono trascurati in fase di specifica.

Armatura in filo di acciaio (SWA)

L'armatura in filo di acciaio è costituita da singoli fili di acciaio zincato o inossidabile applicati elicoidalmente su uno strato di lettiera sotto il rivestimento esterno. SWA fornisce la più alta resistenza alla trazione di qualsiasi tipo di armatura, rendendolo la scelta corretta per cavi soggetti a forze di trazione assiali significative durante l'installazione, come cavi tirati attraverso condotti su lunghe distanze o cavi sottomarini soggetti a tensione di installazione. Il numero e il diametro del filo sono selezionati per ottenere un carico di rottura target; per cavi elettrici di grandi dimensioni sono raggiungibili carichi di rottura SWA di 50–200 kN. Tuttavia, l'armatura in filo di acciaio sui cavi di alimentazione CA unipolari crea un significativo meccanismo di perdita magnetica: l'armatura forma un circuito magnetico chiuso attorno al conduttore che trasporta corrente e le correnti indotte nei fili dell'armatura generano calore. Nei cavi unipolari, le perdite SWA possono raggiungere il 30–50% delle perdite del conduttore, riducendo notevolmente la portata effettiva. Per questo motivo, i cavi CA unipolari con sezione trasversale del conduttore superiore a circa 70 mm² dovrebbero utilizzare un'armatura in filo di alluminio (AWA) anziché in acciaio.

Armatura in nastro d'acciaio (STA)

L'armatura a nastro d'acciaio utilizza due nastri d'acciaio sovrapposti applicati in direzioni opposte per fornire resistenza alla compressione radiale e protezione contro le forze di schiacciamento. STA è più leggero di SWA e più economico, ma fornisce una resistenza alla trazione minima: non è progettato per l'installazione a trazione e si aprirà sotto carico assiale. STA è adatto per cavi interrati direttamente in terreni stabili dove la protezione meccanica contro impatti accidentali e attacchi di roditori è la preoccupazione principale, ma dove non è prevista una tensione di trazione significativa. La struttura nastro su nastro fornisce inoltre una copertura meno uniforme rispetto all'armatura metallica, lasciando spazi elicoidali tra gli strati del nastro dove può penetrare la forza d'impatto focalizzata.

Armatura in filo di alluminio (AWA)

L'armatura del filo di alluminio è meccanicamente equivalente alla SWA in termini di prestazioni di trazione (con diametri del filo leggermente più grandi per compensare la minore resistenza alla trazione dell'alluminio) ma elimina il problema della perdita magnetica nei cavi CA unipolari. Poiché l'alluminio non è magnetico, l'AWA non forma un circuito magnetico attorno al conduttore e non genera perdite di corrente indotte significative. AWA è anche significativamente più leggero di SWA (la densità dell'alluminio è circa un terzo di quella dell'acciaio), il che riduce il peso dell'installazione e lo sforzo di trazione dei cavi nelle grandi installazioni. Il compromesso è la resistenza alla corrosione in ambienti di terreno chimicamente aggressivi: l’armatura in alluminio richiede una biancheria da letto robusta e una protezione sovraguaina in terreni acidi o aree con attività elettrochimica, dove la corrosione galvanica tra l’armatura in alluminio e qualsiasi struttura in acciaio a contatto può causare un degrado accelerato dell’armatura.

Corrente nominale di cortocircuito: cosa significa e come viene calcolata per i cavi di alimentazione

Ogni cavo di alimentazione ha due valori nominali di corrente distinti che devono essere entrambi soddisfatti in qualsiasi installazione: il valore nominale della corrente continua (portata) per il funzionamento normale e il valore nominale della corrente di cortocircuito per le condizioni di guasto. La valutazione del cortocircuito è spesso assente nei processi semplificati di selezione dei cavi, tuttavia un cavo che non riesce a sopravvivere alla potenziale corrente di guasto nel punto di installazione può bruciarsi e causare incendi, danni alle apparecchiature e pericolo per il personale già al primo evento di guasto.

La corrente nominale di cortocircuito viene calcolata in base al presupposto del riscaldamento adiabatico: durante la breve durata del guasto (tipicamente da 0,1 a 3 secondi prima che i dispositivi di protezione annullino il guasto), essenzialmente tutta l'energia del guasto riscalda il conduttore perché non c'è tempo sufficiente per un trasferimento di calore significativo all'isolamento o al mezzo circostante. L'equazione dell'aumento adiabatico della temperatura mette in relazione la corrente di cortocircuito consentita (I), la sezione trasversale del conduttore (S), la durata del guasto (t) e le costanti del materiale del conduttore:

La temperatura di picco consentita del conduttore durante un guasto è limitata dal materiale isolante: XLPE ed EPR consentono una temperatura massima del conduttore di cortocircuito di 250°C (da una temperatura iniziale con funzionamento continuo massimo di 90°C), mentre i cavi isolati in PVC sono limitati a 160°C o 140°C a seconda della sezione trasversale del conduttore. Questi limiti esistono perché il loro superamento provoca danni irreversibili all’isolamento – fusione, carbonizzazione o perdita di integrità meccanica – anche se il conduttore stesso sopravvive. Le norme IEC 60364-5-54 e IEC 60949 forniscono le costanti specifiche per conduttori in rame e alluminio con diversi sistemi di isolamento.

Un aspetto critico e comunemente trascurato della valutazione del cortocircuito è che deve essere verificata rispetto alla corrente di guasto massima prevista nel punto di installazione del cavo, non nel punto di fornitura. La corrente di guasto presunta diminuisce con la distanza dalla sorgente a causa dell'impedenza dei cavi e dei trasformatori intermedi. Un cavo a 200 metri da un trasformatore vedrà una corrente di guasto inferiore rispetto a un cavo ai terminali del trasformatore, consentendo una sezione trasversale più piccola per soddisfare i requisiti di cortocircuito nella posizione più remota. L'esecuzione di questo calcolo su ciascun segmento del cavo anziché applicare un singolo valore conservativo in tutto il sistema può ridurre significativamente i requisiti di sezione trasversale dei conduttori e i costi complessivi di installazione.

Cavi elettrici ignifughi senza alogeni: dove sono necessari e cosa verificano effettivamente gli standard

Le specifiche dei cavi senza alogeni ritardanti di fiamma (HFFR) o a bassa emissione di fumi senza alogeni (LSHF/LS0H) sono diventate sempre più comuni nei progetti di costruzione e infrastrutture, ma le specifiche vengono spesso applicate senza una piena comprensione di ciò che misurano i test alla base della designazione e di ciò che non misurano.

I cavi standard isolati in PVC, quando bruciati, rilasciano gas di acido cloridrico (HCl) poiché il cloro nel composto di PVC reagisce con i prodotti della combustione. L'HCl è corrosivo e danneggia le apparecchiature elettroniche anche a concentrazioni molto inferiori a quelle tossiche per l'uomo. Negli spazi chiusi – tunnel, navi, data center, sistemi di trasporto sotterraneo – l’HCl rilasciato dai cavi in ​​fiamme può distruggere i sistemi elettronici in tutto lo spazio e rendere l’ambiente corrosivo per mesi dopo un evento di incendio. I composti HFFR sostituiscono il PVC con materiali a base poliolefinica contenenti riempitivi ritardanti di fiamma a base di idrossido metallico (tipicamente triidrato di alluminio o idrossido di magnesio), che rilasciano vapore acqueo quando riscaldati e raffreddano la zona di combustione senza produrre gas acidi.

Gli standard chiave che regolano le prestazioni dei cavi HFFR includono:

• IEC 60332-1 (Propagazione della fiamma a cavo singolo): Verifica se un singolo cavo si spegne automaticamente quando viene applicata una fiamma definita per 60 secondi. Questa è una soglia minima che praticamente tutti i cavi con qualsiasi contenuto ritardante di fiamma possono superare. Il superamento di questo test non indica le prestazioni in un'installazione reale con cavi raggruppati.
• IEC 60332-3 (Propagazione della fiamma raggruppata dei cavi - Categorie A, B, C, D): Testa un fascio di cavi installato su un vassoio a scala sotto una fiamma definita per 20 minuti. La categoria A rappresenta il volume di cavo installato più elevato (7 litri per metro) ed è la più impegnativa. Il superamento della Categoria A IEC 60332-3 è un indicatore significativo delle prestazioni di propagazione della fiamma nelle installazioni reali di passerelle portacavi.
• IEC 60754-1 e -2 (contenuto di alogeni): Verifica l'emissione di gas acidi e il pH dei gas di combustione. Un cavo conforme alla norma IEC 60754-2 ha un pH superiore a 4,3 e una conduttività inferiore a 10 μS/mm nel test di combustione, confermando un basso contenuto di alogeni. Questo è il test che distingue gli HFFR dai cavi standard in PVC ignifugo.
• IEC 61034 (Densità dei fumi): Misura la trasmissione della luce attraverso il fumo proveniente da un campione di cavo in fiamme in una camera di prova di 3 m × 3 m × 3 m. Una trasmittanza minima del 60% è la soglia per la designazione a basso contenuto di fumo, rilevante per la visibilità dell'evacuazione negli incendi degli edifici.

Una sfumatura importante è che "ritardante di fiamma" e "privo di alogeni" sono proprietà indipendenti che possono o meno essere combinate in un dato cavo. Un cavo può essere privo di alogeni senza essere particolarmente ritardante di fiamma (poliolefina pura senza cariche ritardanti di fiamma), oppure ritardante di fiamma senza essere privo di alogeni (FR-PVC standard). Specificare LSHF o HFFR richiede entrambe le proprietà contemporaneamente e il documento di appalto dovrebbe fare riferimento agli specifici standard di test IEC che devono essere superati piuttosto che fare affidamento solo sull'etichettatura, poiché questi termini non sono definiti in modo uniforme nei mercati.

Progettazione di cavi di alimentazione personalizzati: tradurre i requisiti applicativi in specifiche di costruzione

L'approvvigionamento di cavi di alimentazione personalizzati inizia con una definizione dei requisiti che va ben oltre la specifica della tensione nominale e della sezione trasversale del conduttore. Un cavo di alimentazione personalizzato opportunamente specificato copre sei gruppi di parametri interdipendenti, ciascuno dei quali vincola lo spazio di progettazione a disposizione del produttore:

• Parametri elettrici: Tensione del sistema (U0/U), corrente continua massima nelle condizioni di installazione previste (non portata in aria libera), corrente di cortocircuito prevista e tempo di eliminazione dei guasti ed eventuali vincoli sulla qualità dell'alimentazione come il contenuto armonico che influisce sul dimensionamento del neutro.
• Condizioni di installazione meccanica: Metodo di installazione (interramento diretto, condotto, passerella portacavi, aereo, sottomarino), tensione di trazione durante l'installazione, raggio di curvatura minimo, se il cavo subirà un movimento continuo dopo l'installazione ed eventuali vincoli di peso o diametro imposti dai rapporti di riempimento del condotto o dai limiti di carico della passerella portacavi.
• Esposizione ambientale: Intervallo di temperatura ambiente, umidità ed esposizione all'acqua, durata e intensità dell'esposizione ai raggi UV, contatto chimico (elencare sostanze specifiche), resistività del suolo per cavi interrati (che influisce sia sulla portata che sui requisiti di protezione dalla corrosione) e se è necessaria una protezione dagli attacchi di roditori.
• Requisiti di prestazione antincendio: Se l'installazione richiede la limitazione della propagazione della fiamma (categoria IEC 60332), l'integrità del circuito in caso di incendio (IEC 60331 — per cavi che devono continuare a funzionare durante un incendio, come alimentatori di emergenza), la limitazione del gas acido (IEC 60754) o la limitazione della densità del fumo (IEC 61034).
• Requisiti normativi e di certificazione: Quali standard nazionali o regionali deve soddisfare il cavo (IEC, BS, UL, CSA, GB/T) e se è necessaria la certificazione di terze parti da parte di un istituto di prova riconosciuto per la costruzione specifica ordinata piuttosto che per un cavo di riferimento simile.
• Aspettativa di vita utile: La durata di progetto di 20, 30 o 40 anni influisce sulla scelta del materiale isolante (tasso di invecchiamento termico XLPE rispetto a EPR) e sul livello di test di invecchiamento accelerato necessari per convalidare il progetto. I cavi per applicazioni infrastrutturali sono spesso specificati per una durata di servizio di 40 anni, il che richiede dati genealogici del materiale isolante che dimostrino la stabilità termica a lungo termine.

Una volta definiti tutti e sei i gruppi di parametri, il produttore può sviluppare una costruzione che soddisfi ciascun vincolo senza sovraccaricare alcun singolo elemento. Specifiche eccessive in un'area e sottospecifiche in un'altra sono un errore comune nell'approvvigionamento di cavi personalizzati: un acquirente che specifica un'armatura per la massima resistenza alla trazione ma omette l'ambiente di esposizione chimica può ricevere un cavo con armatura in acciaio che si corrode entro tre anni in un terreno industriale acido, nonostante soddisfi tutte le specifiche dichiarate.

Metodi di collegamento dello schermo nei cavi di alimentazione a media tensione e loro effetto su perdite e sicurezza

Lo schermo metallico o guaina di un cavo di alimentazione a media tensione ha due scopi: fornisce un percorso di ritorno per la corrente di carica capacitiva e la corrente di guasto e limita il campo elettrico all'esterno del cavo quasi a zero, proteggendo il personale e le apparecchiature adiacenti. Il modo in cui lo schermo viene incollato alle terminazioni e ai giunti dei cavi (il metodo di incollaggio dello schermo) ha un effetto importante e spesso sottovalutato sulla generazione di calore, sulla portata e sulla sicurezza del personale del sistema di cavi.

In un sistema collegato a punto singolo, la schermatura del cavo è collegata a terra solo a un'estremità, lasciando l'estremità opposta flottante (o collegata a terra tramite un dispositivo di protezione da sovratensione). Ciò impedisce alle correnti circolanti di fluire attraverso lo schermo (la fonte primaria di perdite dello schermo nei sistemi solidamente collegati) e può aumentare la portata del cavo del 10–30% rispetto al collegamento solido, poiché le perdite I²R nello schermo vengono eliminate. Il compromesso è che la tensione si accumula lungo lo schermo dall'estremità collegata a terra a quella scoperta in condizioni di carico normale. Questa "tensione della guaina indotta" aumenta con la lunghezza del cavo, la corrente di carico e la distanza tra le fasi e deve essere calcolata per verificare che rimanga entro limiti di sicurezza per il personale che potrebbe entrare in contatto con l'estremità dello schermo senza messa a terra durante il funzionamento sotto tensione. Per i sistemi a cavo lungo, la tensione indotta all'estremità aperta può raggiungere centinaia di volt a pieno carico, richiedendo un'attenta gestione dell'accessibilità all'estremità dello schermo e l'uso di limitatori di sovratensione per prevenire la sovratensione durante i transitori di commutazione o le condizioni di guasto.

Il cross-bonding viene utilizzato nei sistemi di cavi lunghi divisi in tre sezioni minori approssimativamente uguali. Le schermature delle tre fasi del cavo sono trasposte in corrispondenza di ciascun giunto della sezione minore - lo schermo della fase A si collega allo schermo della fase B, la fase B alla fase C, la fase C alla fase A - in modo che su tre sezioni minori, ciascuno schermo vede un terzo del contributo di tensione di sequenza positiva da ciascuna fase. Se le sezioni hanno la stessa lunghezza, le tensioni indotte nei tre segmenti dello schermo si annullano quasi completamente, risultando in una corrente circolante sullo schermo prossima allo zero e una tensione indotta quasi zero alle estremità della sezione principale. Il collegamento incrociato combina il vantaggio della bassa perdita del collegamento a punto singolo con il vantaggio della bassa tensione permanente del collegamento solido, rendendolo il metodo preferito per circuiti di cavi più lunghi di circa 500 metri a 11 kV e oltre. Richiede una maggiore complessità di installazione (sei collegamenti dello schermo su ciascun giunto anziché uno) e un'attenta equalizzazione della lunghezza della sezione durante la progettazione.