Anatomia di un cavo di energia: la progettazione strato per strato, dal conduttore alla guaina esterna

Ogni gara chiede «un cavo», ma non ci sono due gare che chiedano lo stesso. Tensione, conduttore, schermo, armatura, guaina e norma si combinano ogni volta in modo diverso. Per progettare in modo rapido e corretto è utile vedere un cavo di energia per quello che è: una sequenza di strati concentrici, ciascuno con un compito, ciascuno dipendente dagli strati sottostanti.

Questo articolo percorre un tipico cavo di energia con isolamento estruso dal centro verso l'esterno: a cosa serve ogni strato, cosa ne determina il progetto e dove di solito si sbaglia.

1. Conduttore

Il conduttore trasporta la corrente di carico. Le scelte principali riguardano il materiale (rame o alluminio), la classe (a filo unico, a corda o flessibile) e la forma (circolare, compatta, settoriale o, per sezioni AT molto grandi, segmentata). La sezione è determinata da tre requisiti diversi — corrente continuativa, corrente di cortocircuito e caduta di tensione — e sapere quale prevale indica dove ottimizzare. Approfondimenti in IEC 60228 spiegata.

2. Schermo sul conduttore (MT e oltre)

A partire dalla media tensione, uno strato semiconduttivo sul conduttore uniforma il campo elettrico attorno ai singoli fili. Senza di esso, i picchi di campo sulle superfici dei fili innescherebbero scariche parziali e farebbero invecchiare l'isolamento dall'interno.

3. Isolamento

L'isolamento sostiene la tensione. Il PVC domina dove contano basso costo e bassa tensione; l'XLPE è oggi la scelta predefinita per la maggior parte dei cavi di energia perché tollera temperature di esercizio e di cortocircuito più elevate; l'EPR aggiunge flessibilità; le mescole prive di alogeni servono edifici, gallerie e trasporti. In bassa tensione lo spessore dell'isolamento è in gran parte una questione meccanica. In media e alta tensione è fissato dalla sollecitazione elettrica, ed è per questo che salire di una classe di tensione cambia l'intero cavo. Approfondimenti in PVC, XLPE, EPR o LSZH.

4. Schermo sull'isolante (MT e oltre)

Un secondo strato semiconduttivo sopra l'isolamento fa sì che l'isolante si trovi tra due superfici lisce ed equipotenziali. Aderente o pelabile? Sembra un dettaglio, ma influisce sulle pratiche di giunzione e sugli accessori, per cui i distributori spesso lo specificano.

5. Schermo o guaina metallica

Lo schermo metallico confina il campo, trasporta la corrente capacitiva e, fattore di progetto principale, la corrente di guasto a terra. Fili di rame, nastri di rame, guaine di piombo, laminati metallici e guaine di alluminio esistono per ragioni diverse: tenuta al cortocircuito, tenuta radiale all'acqua, peso, costo. Un livello di guasto più alto significa più metallo nello schermo e, sui circuiti con cavi unipolari, ciò può comportare perdite maggiori e una portata inferiore.

6. Riempitivi, nastri di legatura e guaina interna (cavi multipolari)

Riempitivi e nastri di legatura arrotondano l'insieme delle anime cordate, in modo che lo strato successivo poggi su una superficie circolare. Una guaina interna o un riempitivo protegge le anime dall'armatura. Questi strati «invisibili» consumano comunque materiale e aumentano il diametro.

7. Armatura

L'armatura fornisce protezione meccanica e talvolta un percorso verso terra. Il filo d'acciaio è la scelta predefinita per i cavi multipolari interrati; il filo di alluminio si usa sui cavi unipolari in corrente alternata, dove l'acciaio magnetico causerebbe forti perdite; il nastro d'acciaio offre resistenza allo schiacciamento; le trecce sono adatte ai cavi flessibili e navali. Le dimensioni dell'armatura si scelgono in base al diametro sottostante, per cui una modifica a monte può spostare silenziosamente il progetto verso una diversa dimensione di armatura.

8. Guaina esterna

La guaina esterna protegge tutto ciò che sta sotto da umidità, abrasione, agenti chimici, luce solare e, in alcuni mercati, termiti e roditori. PVC, polietilene e mescole prive di alogeni hanno ciascuno il proprio ambito. Come per l'armatura, lo spessore della guaina dipende di solito dal diametro sottostante.

Il concetto chiave: un cavo è una catena di dipendenze

1. La sezione del conduttore determina il diametro del conduttore.
2. La tensione (e, in BT, la sezione del conduttore) determina l'isolamento.
3. Il diametro sull'isolante determina lo schermo e il diametro di cordatura.
4. Il diametro sotto armatura determina l'armatura.
5. Il diametro sotto guaina determina la guaina.
6. Tutto insieme dà il diametro esterno, il peso, il raggio di curvatura, la lunghezza per bobina e la distinta materiali.

Cambiate un dato di ingresso — un conduttore più grande, una tensione più alta, un'anima in più — e ogni strato sopra si sposta.

Dove si sbaglia nella pratica

• Progetti da copia e modifica. Un cavo «simile» viene copiato in un foglio di calcolo e si modificano alcune celle. L'armatura o la guaina giuste per il vecchio diametro ora sono silenziosamente sbagliate.
• Mescolare le regole per cavi unipolari e multipolari, come l'armatura in acciaio su circuiti unipolari in corrente alternata.
• Ignorare lo schermo nel calcolo della portata. Le sezioni di schermo dettate dalla corrente di guasto modificano perdite e portata sui circuiti con cavi unipolari.
• Schede tecniche che si discostano dai progetti. La scheda tecnica viene modificata a mano e non corrisponde più a ciò che lo stabilimento produrrà.

Progettare secondo la norma, ogni volta

Le norme definiscono la maggior parte di queste regole. Codificarle una volta e applicarle a ogni nuovo progetto trasforma la progettazione dei cavi da un'attività manuale e soggetta a errori in un processo ripetibile.

È ciò che fa CablePLM. Ogni pacchetto di norme codifica le regole della propria norma come metodo di calcolo versionato. Inserite tensione, conduttore, schermo, guaina e norma, e ottenete la costruzione completa strato per strato, la distinta materiali, la scheda tecnica e le portate IEC 60287, con ogni valore contrassegnato come dato normativo o stima.

Prossimo articolo: IEC 60502-1 per i cavi di energia in bassa tensione.

Volete vedere la vostra gamma di cavi costruita in questo modo? Prenotate una demo.