PVC, XLPE, EPR o LSZH: scegliere i materiali di isolamento e guaina dei cavi

La scelta dei materiali di isolamento e guaina sembra una decisione da catalogo: PVC, XLPE, EPR o LSZH. In pratica modella l'intero cavo. Il materiale stabilisce la temperatura ammissibile del conduttore e, di conseguenza, la portata, la sezione del conduttore, il diametro, il peso e il prezzo. Determina inoltre come il cavo si comporta in caso di incendio, come si piega durante la posa e come invecchia in acqua o alla luce solare.

Non si tratta di una tabella di proprietà, ma di indicazioni pratiche su come PVC, XLPE, EPR e LSZH differiscono davvero e su dove si sbaglia nella scelta dei materiali. Per la posizione di questi strati nel cavo, vedere Anatomia di un cavo di energia.

I materiali di isolamento e guaina svolgono due compiti diversi

Isolamento e guaina vengono spesso trattati insieme, ma svolgono compiti diversi.

• L'isolamento sostiene la tensione e deve resistere per decenni alle temperature di esercizio e di cortocircuito del conduttore. Contano soprattutto le sue proprietà elettriche.
• La guaina (riempitivo, guaina interna, guaina esterna) protegge il cavo dal mondo esterno: acqua, abrasione, agenti chimici, raggi UV, fuoco, roditori. Contano soprattutto le sue proprietà meccaniche e ambientali.

Lo stesso nome di famiglia può comparire in entrambi i ruoli, con mescole molto diverse alle spalle. L'isolamento in «PVC» e la guaina in «PVC» sono gradi diversi con requisiti diversi. «Cavo LSZH» indica di solito guaina e riempitivo privi di alogeni, mentre l'isolamento è spesso in un materiale reticolato. Leggere una voce di gara come «cavo LSZH» come un unico materiale è il primo errore comune.

Indicazione 1: la vera linea di demarcazione è tra termoplastici e termoindurenti

Il modo più utile per raggruppare i materiali è in base alla loro reazione al calore.

I termoplastici (PVC, polietilene, la maggior parte delle mescole per guaine prive di alogeni) rammolliscono quando vengono riscaldati. Sono facili da estrudere e riciclare, ma questo limita la temperatura ammissibile del conduttore: sotto il riscaldamento da cortocircuito l'isolamento può deformarsi.

I termoindurenti (XLPE, EPR, mescole prive di alogeni reticolate) vengono reticolati dopo l'estrusione, mediante reticolazione a perossido in una linea di vulcanizzazione continua, mediante reticolazione silanica (a umidità) o mediante irraggiamento. La reticolazione trasforma il materiale in una rete che non fonde più. Sopporta una temperatura continuativa molto più alta e una temperatura di cortocircuito molto più alta.

Per questo un cavo isolato in PVC è tipicamente dimensionato per una temperatura massima del conduttore di 70 °C, mentre XLPE ed EPR lo sono tipicamente per 90 °C. Quei venti gradi non sono un dettaglio. Modificano la portata secondo IEC 60287 a parità di conduttore, per cui un cavo reticolato può spesso usare un conduttore di sezione inferiore per lo stesso carico. La mescola di PVC costa meno al chilogrammo, ma il metallo risparmiato con l'XLPE spesso compensa ampiamente.

Indicazione 2: il PVC è ancora una scelta sensata, entro i suoi limiti

Il PVC è economico, facile da lavorare, intrinsecamente non propagante la fiamma grazie al contenuto di cloro, e robusto. Per i cavi di bassa tensione in installazioni ordinarie resta un isolamento ragionevole e una guaina molto diffusa.

I suoi limiti sono chiari:

• Temperatura. Temperature di esercizio e di cortocircuito più basse significano conduttori più grandi a parità di corrente e di livello di cortocircuito.
• Perdite elettriche. Il PVC ha perdite dielettriche relativamente elevate, quindi non si usa a tensioni più alte. Nella IEC 60502-2 è ammesso solo all'estremo inferiore della gamma di media tensione.
• Sottoprodotti della combustione. Il cloro che rende il PVC non propagante la fiamma diventa, in un incendio, acido cloridrico gassoso e fumo denso. In gallerie, metropolitane, ospedali, data center e navi è esattamente ciò che il committente vuole evitare.
• Freddo. I gradi standard si irrigidiscono nei climi freddi; occorre specificare gradi per basse temperature.

Indicazione 3: l'XLPE è la scelta predefinita, ma non un materiale unico

L'XLPE unisce basse perdite dielettriche, elevata rigidità dielettrica e un'elevata temperatura ammissibile. Per questo domina i cavi di energia dalla bassa all'altissima tensione.

Due aspetti vengono spesso trascurati:

• Il metodo di reticolazione conta. L'XLPE a reticolazione silanica è diffuso in bassa tensione perché non richiede una linea di vulcanizzazione continua. I cavi di media e alta tensione usano normalmente XLPE reticolato a perossido, estruso insieme agli schermi semiconduttivi in un processo di triplice estrusione, perché pulizia e interfacce con gli schermi sono critiche ad alto gradiente elettrico. Uno stabilimento in grado di produrre cavi BT in XLPE non è automaticamente in grado di produrre cavi MT.
• Water treeing. Nelle installazioni umide, gli isolamenti a base di polietilene possono sviluppare water tree sotto sollecitazione elettrica, che riducono lentamente la rigidità dielettrica. Per questo esistono l'XLPE ritardante dei water tree (TR-XLPE) e le barriere radiali all'acqua. Se un distributore richiede TR-XLPE o una barriera longitudinale e radiale all'acqua, sta reagendo all'esperienza di esercizio, non aggiungendo un ornamento.

L'XLPE è inoltre relativamente rigido, quindi non è sempre la risposta migliore per cavi soggetti a flessioni ripetute.

Indicazione 4: l'EPR offre flessibilità e robustezza, a costo di maggiori perdite

L'EPR (gomma etilene-propilenica, e il suo grado duro HEPR) è una gomma reticolata. Condivide la temperatura ammissibile tipica dell'XLPE, ma è sensibilmente più flessibile ed è spesso considerata più tollerante verso scariche parziali e umidità.

Questo rende l'EPR la scelta naturale per:

• cavi da miniera e cavi mobili trascinati,
• cavi navali e offshore,
• cavi di media tensione in alcuni mercati dei distributori,
• cavi da posare con raggi di curvatura stretti o soggetti a vibrazioni.

Il prezzo è un costo del materiale più alto e perdite dielettriche maggiori rispetto all'XLPE, motivo per cui l'EPR si vede raramente in alta e altissima tensione. Alcune norme prevedono inoltre per l'EPR spessori di isolamento diversi da quelli dell'XLPE alla stessa tensione. Sostituire l'EPR con l'XLPE (o viceversa) in un progetto esistente senza ricalcolare la costruzione è un classico errore da copia e modifica.

Indicazione 5: «LSZH» è un requisito di comportamento al fuoco, non un materiale

LSZH (scritto anche LS0H, LSOH, HFFR o «privo di alogeni») descrive come si comporta un cavo in un incendio: bassa emissione di fumi, assenza di alogeni, bassa corrosività dei gas. Si dimostra di norma con prove come la densità dei fumi (IEC 61034), i gas acidi alogenidrici (IEC 60754) e la propagazione della fiamma (serie IEC 60332), non indicando il nome di una mescola.

Le mescole per guaine prive di alogeni e ritardanti di fiamma ottengono questo risultato caricando una poliolefina con una grande quantità di carica minerale, tipicamente idrossido di alluminio o di magnesio, che rilascia acqua quando viene riscaldato. Questo elevato contenuto di carica ha conseguenze che i progettisti devono rispettare:

• resistenza a trazione e all'abrasione inferiori rispetto a PVC o PE,
• maggiore assorbimento d'acqua, per cui le guaine LSZH non sono la prima scelta per installazioni permanentemente umide o interrate direttamente,
• estrusione più impegnativa, con un controllo della temperatura più stretto e attrezzature diverse,
• densità più elevata, per cui la guaina pesa di più.

All'interno di un cavo LSZH l'isolamento è comunemente in XLPE o in una mescola priva di alogeni reticolata, mentre riempitivo e guaina sono privi di alogeni. Un cavo è privo di alogeni solo quanto lo è il suo strato peggiore: un riempitivo o un nastro di legatura in PVC in un cavo «LSZH» è una non conformità.

La resistenza al fuoco (mantenere in funzione un circuito durante un incendio) è ancora un altro requisito, di solito soddisfatto con nastro di mica e costruzioni speciali. Avrà un articolo dedicato.

Materiali di guaina: adattarsi all'ambiente

Per la guaina esterna la domanda non è tanto «quale polimero» quanto «quale ambiente».

Il PE è un'eccellente barriera all'umidità ed è molto robusto, quindi è comune sui cavi MT e AT interrati, ma può non superare un requisito di comportamento al fuoco dove lo stesso cavo entra in un edificio. Le gare che combinano «interramento diretto» e «montante interno» in un unico tipo di cavo impongono un compromesso che va fatto consapevolmente.

Errori tipici nelle gare

• «LSZH» senza riferimenti alle prove. Chiedere quali prove di fumi, alogeni e fiamma si applicano, e a quali strati.
• Confondere requisiti di isolamento e di guaina. «XLPE/PVC» indica di solito isolamento in XLPE e guaina in PVC: verificare che entrambe le parti intendano l'ordine allo stesso modo.
• Mantenere la sezione del conduttore cambiando isolamento. Passare dal PVC all'XLPE consente spesso un conduttore più piccolo; passare dall'XLPE al PVC di solito ne richiede uno più grande. La portata va ricalcolata.
• Dimenticare la temperatura di cortocircuito. Il materiale isolante stabilisce la temperatura finale ammissibile durante un guasto, che determina la verifica di conduttore e schermo.

Checklist: domande da porsi prima di scegliere i materiali

1. Qual è l'installazione: interrata, in aria, in tubi, in un edificio, in galleria, su una nave?
2. Esiste un requisito di comportamento al fuoco, e quali prove lo dimostrano?
3. Il cavo resta bagnato per lunghi periodi? Servono una barriera all'acqua o un isolamento ritardante dei water tree?
4. Deve flettersi, sopportare vibrazioni o curvature strette durante la posa?
5. Ci sono esposizioni a clima freddo, agenti chimici, olio, raggi UV, termiti o roditori?
6. Quale norma regola la costruzione, e quali materiali ammette a questa tensione?

Come CablePLM gestisce la scelta dei materiali

In CablePLM i materiali di isolamento e guaina sono dati di ingresso del progetto, non etichette sulla scheda tecnica. Ogni pacchetto di norme sa quali materiali la norma ammette per ciascuno strato e tensione, e applica le corrispondenti regole di spessore e limiti di temperatura come metodo di calcolo versionato. Cambiate PVC in XLPE, o una guaina in PVC in LSZH, e la costruzione strato per strato, la distinta materiali, i pesi, la scheda tecnica e le portate IEC 60287 vengono ricalcolati insieme, con ogni valore contrassegnato come dato normativo o stima. Per le gare, il modulo aggiuntivo di selezione e ottimizzazione dei cavi confronta le alternative fianco a fianco, così l'effetto sui costi di un cambio di materiale è visibile prima che l'offerta parta. Vedere anche IEC 60502-1 e IEC 60502-2 per come le principali norme sui cavi di energia inquadrano queste scelte.

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