Cavo elettrico aereo: tipi, selezione e installazione

Selezionando quello corretto cavo elettrico aereo per una linea di trasmissione o distribuzione richiede il bilanciamento di tre variabili interdipendenti: capacità di trasporto di corrente continua, resistenza alla trazione meccanica e comportamento di abbassamento a lungo termine alla massima temperatura operativa . Per la maggior parte delle applicazioni di media e alta tensione, il conduttore in alluminio rinforzato con acciaio (ACSR) rimane la scelta predefinita perché il nucleo in acciaio zincato trasporta circa dal 55% al ​​65% della tensione totale mentre i trefoli in alluminio trasportano la corrente, una separazione di funzioni che nessun conduttore omogeneo può eguagliare a un costo equivalente.

Tipi di conduttori e composizione dei materiali

I cavi elettrici aerei sono classificati in base ai materiali e alla configurazione della cordatura del conduttore. Il mercato è dominato dalle tre famiglie di conduttori nudi primari, ciascuna adatta a lunghezze di campata e condizioni ambientali distinte.

ACSR, o conduttore in alluminio rinforzato con acciaio, è costituito da un nucleo di acciaio a trefoli concentrici circondato da uno o più strati di trefoli di alluminio 1350-H19 trafilati duri. L'anima in acciaio, disponibile in vari gradi di resistenza, costituisce la struttura portante della trazione, mentre gli strati di alluminio trasportano la corrente con una conduttività di 61,2% SIGC (Standard internazionale sul rame ricotto). Un tipico conduttore ACSR "Drake", con una cordatura 26/7 e un diametro complessivo di 28,14 mm, raggiunge una resistenza alla trazione nominale di 140 kN e una portata continua di circa 907 A a 75°C in condizioni di vento moderato.

ACAA, il conduttore interamente in lega di alluminio, utilizza una trefolatura omogenea di fili in lega di alluminio 6201-T81. Questa lega incorpora magnesio e silicio per ottenere una resistenza alla trazione circa doppia rispetto a quella dell'alluminio conduttore elettrico 1350-H19, eliminando la necessità di un'anima in acciaio. I conduttori AAAC sono specificati laddove la corrosione dell'anima in acciaio rappresenta un problema, in particolare in ambienti costieri o industriali con cloruri o composti di zolfo presenti nell'aria. L'assenza di un nucleo magnetico in acciaio elimina anche l'isteresi e le perdite per correnti parassite, riducendo di circa la resistenza CA Dal 3% al 5% rispetto ad un ACSR di diametro equivalente sotto la stessa corrente di carico.

AAC, il conduttore interamente in alluminio realizzato interamente con trefoli 1350-H19, offre la massima conduttività per unità di peso ma la più bassa resistenza alla trazione. Il suo utilizzo è limitato a campate brevi nelle reti di distribuzione urbana e ai dropper delle sbarre collettrici all'interno delle sottostazioni, dove la lunghezza della campata raramente supera i 50 metri e il conduttore non deve resistere a carichi elevati di ghiaccio o vento.

Prestazioni comparative dei tipi di conduttori standard

Fondamenti di portata e potenza termica

La portata di un cavo elettrico aereo non è un numero fisso ma una funzione del bilancio termico tra perdite resistive (riscaldamento I²R), radiazione solare assorbita dalla superficie del conduttore, raffreddamento convettivo del vento e perdita di calore radiativo verso il cielo. Lo standard IEEE 738 definisce l'equazione termica stazionaria che governa questo equilibrio. Nelle ipotesi peggiori di pieno sole, bassa velocità del vento di 0,6 m/s e temperatura ambiente di 40°C, la portata di un dato conduttore può essere Dal 25% al 35% in meno rispetto al valore pubblicato per condizioni primaverili moderate.

La temperatura operativa del conduttore è la variabile indipendente che controlla l'abbassamento. I conduttori ACSR standard sono classificati per il funzionamento continuo a 75°C, 90°C o 100°C , con temperature più elevate consentite per condizioni di emergenza o di picco di carico a breve termine. Al di sopra dei 93°C, i fili di alluminio iniziano a ricottura, riducendo in modo permanente la loro resistenza alla trazione. I conduttori HTLS (alta temperatura e basso abbassamento) come ACSS, G(Z)TACSR e ACCR utilizzano nuclei in alluminio o compositi completamente ricotti per funzionare continuamente a da 150°C a 210°C , raddoppiando all'incirca la portata di una linea ACSR convenzionale all'interno della stessa precedenza senza richiedere tralicci più alti.

Calcolo del abbassamento della tensione e pratica dell'incordatura

La relazione tra tensione del conduttore e abbassamento è governata dall'equazione della catenaria, che per campate inferiori a 300 metri si semplifica in un'approssimazione parabolica con errore accettabile. Il processo di progettazione inizia con il concetto di campata dominante, una lunghezza media ponderata della campata che rappresenta il comportamento meccanico equivalente di un'intera sezione tesa tra strutture senza uscita. In genere, la tensione iniziale scaricata alla temperatura più bassa dell'incordatura -20°C o 0°F , deve essere impostato in modo che il conduttore non superi il 60% della sua resistenza alla rottura nominale sotto la più severa combinazione di carico di ghiaccio e vento specificata dal Codice di sicurezza elettrica nazionale (NESC) per il distretto geografico di carico.

L'incordatura non significa semplicemente tirare il conduttore a una tensione target e fissarlo. Il conduttore deve essere tensionato ad un valore di abbassamento misurato mediante avvistamento attraverso la campata con un transito o un sagometro digitale, con il conduttore ad una temperatura uniforme nota. Per una campata di 300 metri di ACSR Drake a 15°C senza vento o ghiaccio, l'abbassamento target è di circa 6,5 metri , corrispondente ad una tensione orizzontale di circa 17 kN. Dopo l'aggancio, il conduttore si rilassa a causa dell'assestamento del trefolo e dello scorrimento metallurgico, perdendo circa Dal 10% al 15% della tensione iniziale nelle prime 1.000 ore di servizio . L'abbassamento dell'incordatura deve anticipare questo scorrimento mirando a una sovratensione compresa tra il 10% e il 12%, che poi si rilassa fino all'abbassamento finale di progetto.

Vibrazioni eoliche e smorzamento dei conduttori

Quando un vento laminare costante passa attraverso un cavo aereo a velocità comprese tra 1 e 7 m/s, produce vortici di Kármán alternati che inducono una forza di portanza ciclica perpendicolare alla direzione del vento. Questa vibrazione eolica, con frequenze tipicamente nella gamma di da 3 a 150 Hz , costringe il conduttore ad oscillare alla o vicino ad una frequenza di risonanza naturale di uno dei suoi modi di vibrazione più elevati. La risultante sollecitazione di flessione sul morsetto di sospensione del conduttore, dove il movimento è completamente trattenuto, supera il limite di resistenza alla fatica dell'alluminio di circa 57 MPa (8,3 ksi) entro decine di milioni di cicli, che si accumulano nel giro di pochi giorni in condizioni di vento costante.

La mitigazione utilizza smorzatori Stockbridge, smorzatori di vibrazioni a spirale (formalmente chiamati smorzatori a osso di cane o elementi smorzatori a spirale) o smorzatori distanziatori su conduttori in bundle. Uno smorzatore Stockbridge adeguatamente sintonizzato ha due frequenze di risonanza che racchiudono la frequenza del conduttore dominante, assorbendo l'energia vibratoria attraverso l'attrito interno dei trefoli del cavo messaggero. La distanza di posizionamento della serranda dal morsetto non è arbitraria; esso deve essere posizionato in un punto in cui l'ampiezza dell'antinodo di vibrazione del conduttore sia sufficiente ad eccitare lo smorzatore. Per una tipica linea da 132 kV con conduttore ACSR Lynx, viene posizionato il primo smorzatore Da 0,8 a 1,2 metri dall'imboccatura del morsetto di sospensione , con una seconda serranda a 1,8 metri su luci superiori a 400 metri.

Scarica corona e gestione del campo elettromagnetico

A tensioni di trasmissione di 230 kV e superiori, il gradiente del campo elettrico sulla superficie del conduttore si avvicina alla resistenza alla rottura dielettrica dell'aria, approssimativamente 30 kV/cm al livello del mare . Quando il gradiente superficiale supera circa 17 kV/cm in condizioni asciutte, si avvia la scarica corona, producendo rumore udibile, interferenze radio (RI) nella banda da 0,5 a 1,6 MHz e perdita di potenza. Il gradiente superficiale è inversamente proporzionale al raggio del conduttore; un singolo conduttore per fase deve avere un diametro di almeno 24 mm per 230 kV e 32 mm per 345 kV per mantenere il gradiente al di sotto della soglia della corona.

I conduttori in bundle risolvono questo problema suddividendo la corrente di fase tra due, tre o quattro sottoconduttori separati da distanziatori rigidi a intervalli da 30 a 45 cm. Un doppio fascio di conduttori di diametro 28 mm a 400 kV raggiunge un diametro equivalente di circa 180 mm in termini di distribuzione del campo elettrico, riducendo il gradiente superficiale di un fattore pari a circa tre rispetto a un singolo conduttore di sezione trasversale totale equivalente. La spaziatura del distanziatore è scelta per ottimizzare l'equilibrio tra uniformità del campo elettrico e stabilità meccanica contro l'oscillazione del sub-span, un fenomeno in cui il conduttore sopravvento scherma quello sottovento, creando un'instabilità aerodinamica che guida i movimenti ellittici.

Scelta dell'isolante e coordinamento della distanza superficiale

Il conduttore aereo è supportato meccanicamente ed isolato elettricamente mediante corde isolanti di sospensione o tensione. La distanza superficiale dell'isolante, la lunghezza del percorso lungo la superficie dell'isolante dal raccordo terminale energizzato all'estremità messa a terra, deve essere sufficiente a prevenire scariche elettriche in condizioni di umidità contaminata. La distanza superficiale specifica è definita in mm di dispersione per kV di tensione fase-fase del sistema. Per le aree con inquinamento luminoso, una dispersione specifica di 16 mm/kV è adeguato; per nebbie saline industriali o costiere pesanti, 31 mm/kV o più è specificato, ottenuto utilizzando corde più lunghe o isolatori di tipo nebbia con gonne più profonde.

Gli isolanti polimerici compositi con rivestimenti in gomma siliconica hanno ampiamente sostituito le stringhe cap-and-pin in porcellana e vetro per le nuove costruzioni a 138 kV e inferiori, e stanno guadagnando accettazione a livelli EHV. La superficie idrofobica della gomma siliconica fa sì che l'acqua si spruzzi anziché formare una pellicola conduttiva continua, sopprimendo la corrente di dispersione un fattore da 10 a 100 rispetto ad una superficie di porcellana idrofila in identiche condizioni di contaminazione. La principale modalità di guasto degli isolanti compositi è la frattura fragile dell'asta centrale in fibra di vetro dovuta all'attacco di acidi o all'ingresso di acqua in una guarnizione difettosa del raccordo terminale, un meccanismo che richiede il monitoraggio continuo del carico meccanico e l'ispezione visiva dell'integrità dell'alloggiamento.

Giunzione, vicolo cieco e compatibilità hardware

L'intera linea aerea è affidabile tanto quanto i suoi giunti e terminazioni. I giunti a media campata, richiesti per lunghezze di conduttore superiori alle capacità standard delle bobine, devono raggiungere una resistenza alla trazione pari almeno a 95% del carico di rottura nominale del conduttore e una resistenza elettrica non superiore al 75% della lunghezza equivalente del conduttore non giunto. I giunti a tensione totale del tipo a compressione, applicati con una matrice esagonale e una pressa idraulica capace di 700 bar (10.000 psi), sono lo standard del settore. Il corpo del giunto è un manicotto in alluminio che scorre sui trefoli di alluminio e un manicotto in acciaio separato che afferra l'anima in acciaio. Le due maniche vengono pressate in modo indipendente; prima il manicotto in acciaio, che trasferisce l'intera tensione nominale attraverso il nucleo, seguito dal manicotto in alluminio, che trasporta la corrente attorno al giunto in acciaio.

La corrosione galvanica bimetallica si verifica ovunque i fili conduttori in alluminio entrano in contatto con l'hardware in lega di rame in presenza di un elettrolita. L'alluminio, essendo anodico al rame, si corrode sacrificalmente. Tutti i connettori a compressione e i corpi dei morsetti per conduttori in alluminio devono essere realizzati in lega di alluminio o essere completamente stagnati per impedire il contatto diretto rame-alluminio. Nelle strutture senza uscita delle sottostazioni in cui la linea aerea in alluminio passa al bus in rame, un capocorda bimetallico saldato ad attrito isola i due metalli fornendo al contempo un percorso di corrente a bassa resistenza valutato per l'intera corrente di cortocircuito della linea.