Spiegazione dei cavi di alimentazione: tipi di cablaggio elettrico e isolamento dei cavi

Cosa sono Cavi di alimentazione ?

I cavi di alimentazione sono conduttoi elettrici isolati progettati per trasmettere energia elettrica da una fonte a un carico, indipendentemente dal fatto che tale carico sia un edificio, una macchina, un pezzo di infrastruttura o un dispositivo di consumo. Ogni cavo di alimentazione svolge due funzioni contemporaneamente: condurre corrente con una perdita resistiva minima e contenerla in modo sicuro all'interno di una struttura isolata e protetta che impedisce il contatto con persone, apparecchiature o ambiente.

Al livello più elementare, un cavo di alimentazione è costituito da a conduttore e un strato isolante . In pratica, la maggior parte dei cavi utilizzati nelle applicazioni industriali, commerciali e infrastrutturali sono notevolmente più complessi: incorporano più conduttori, schermi semiconduttori, schermature metalliche, strati armati e guaine esterne, ciascuno con uno scopo meccanico o elettrico definito. La struttura di un cavo è determinata dalla tensione che deve trasportare, dalla corrente che deve gestire, dall'ambiente di installazione in cui opererà e dalle sollecitazioni meccaniche che incontrerà nel corso della sua vita utile.

I cavi di alimentazione sono classificati in base alla tensione in tre grandi categorie: bassa tensione (BT) cavi con tensione nominale fino a 1 kV, utilizzati per cablaggi di edifici, collegamenti di apparecchi e distribuzione industriale leggera; media tensione (MT) cavi con tensione nominale da 1 kV a 36 kV, utilizzati per la distribuzione di energia industriale e alimentatori di servizi; e alta tensione (HV) cavi con tensione superiore a 36 kV, utilizzati nelle reti di trasmissione e nelle infrastrutture elettriche di grandi dimensioni. Ciascuna classe di tensione ha i propri standard di dimensionamento dei conduttori, requisiti di spessore dell'isolamento e codici di installazione che ne regolano la progettazione e l'utilizzo.

Anche i materiali conduttori sono quasi universali rame or alluminio . Il rame offre una conduttività superiore (circa 58 MS/m rispetto ai 35 MS/m dell'alluminio), una maggiore resistenza alla trazione e una migliore resistenza alla corrosione nei punti di connessione, rendendolo il conduttore preferito per la maggior parte delle applicazioni di cablaggio fisso e cavi flessibili. L’alluminio è significativamente più leggero e ha un costo per unità di conduttività inferiore, motivo per cui domina le linee di trasmissione aeree e i cavi di distribuzione sotterranei di grande sezione dove il peso e il costo del materiale sono considerazioni primarie.

Tipi di cablaggio elettrico

Il cablaggio elettrico non è una singola categoria di prodotto ma un'ampia famiglia di costruzioni, ciascuna ottimizzata per una specifica combinazione di classe di tensione, metodo di installazione, esposizione ambientale e richiesta meccanica. Di seguito vengono descritti i tipi di cavi più importanti nella distribuzione dell'energia e nel cablaggio degli edifici.

Cavi non armati in PVC o XLPE (NYY / N2XY)

I cavi a bassa tensione non armati con isolamento in PVC o XLPE e guaina esterna in PVC sono il tipo di cavo più ampiamente installato nei servizi di costruzione, nei cablaggi industriali leggeri e nelle applicazioni di interramento diretto in tubazioni. La designazione NYY (isolamento in PVC, guaina in PVC) e la designazione N2XY (isolamento XLPE, guaina in PVC) seguono le convenzioni di denominazione IEC utilizzate in Europa e nella maggior parte dei mercati internazionali. Questi cavi sono disponibili in configurazioni unipolari e multipolari, con sezioni trasversali dei conduttori da 1,5 mm² a 300 mm² o superiori. Le varianti isolate in XLPE trasportano correnti nominali più elevate rispetto agli equivalenti in PVC con le stesse dimensioni del conduttore , grazie alle prestazioni termiche superiori dell'isolamento in polietilene reticolato.

Cavi Armati (SWA e AWA)

I cavi armati incorporano uno strato di protezione meccanica tra l'isolamento e la guaina esterna. Armatura in filo di acciaio (SWA) i cavi utilizzano uno strato di fili di acciaio zincato avvolti elicoidalmente attorno al nucleo isolato, garantendo resistenza allo schiacciamento, all'attacco di roditori e all'impatto accidentale. SWA è la scelta standard per l'interramento diretto senza condutture, distribuzione sotterranea e percorsi in superficie in ambienti industriali soggetti a danni meccanici. Filo di alluminio armato (AWA) I cavi utilizzano fili di alluminio al posto dell'acciaio, riducendo il peso ed eliminando il rischio di corrosione galvanica nei cavi con conduttori in alluminio, rendendoli preferiti per i cavi unipolari sotterranei in cui l'armatura in acciaio creerebbe perdite di correnti parassite inaccettabili nei sistemi CA.

Cavi ad isolamento minerale (cavo MICC/MI)

I cavi con isolamento minerale utilizzano polvere compressa di ossido di magnesio (MgO) come materiale isolante, racchiusa tra conduttori in rame e una guaina esterna senza saldatura in rame o acciaio inossidabile. Il risultato è un cavo con eccezionale resistenza al fuoco — L'MgO è incombustibile e la guaina metallica non brucia né emette fumi tossici in qualsiasi condizione di incendio. I cavi MI mantengono l'integrità del circuito a temperature superiori a 1.000°C e sono obbligatori per circuiti di allarme antincendio, illuminazione di emergenza, sistemi di estrazione del fumo e altri cablaggi di sicurezza in molti regolamenti edilizi. I loro limiti sono il costo più elevato, la flessibilità limitata e la suscettibilità all'ingresso di umidità nelle estremità tagliate, che richiede terminazioni sigillate.

Cavi flessibili e da trascinamento

I cavi flessibili utilizzano conduttori a trefoli sottili, costituiti da decine o centinaia di singoli fili sottili intrecciati insieme, per ottenere il raggio di curvatura e la resistenza al ciclo di flessione richiesti per le connessioni mobili: cavi di apparecchi, strumenti portatili, prolunghe e cavi di trascinamento di macchine. La classe di cordatura determina la flessibilità: i conduttori di Classe 5 (trefoli fini) e Classe 6 (trefoli extra-sottili) secondo IEC 60228 sono utilizzati per applicazioni frequentemente flesse, mentre la Classe 2 (trefoli) è standard per il cablaggio fisso. L'isolamento e le guaine dei cavi flessibili sono formulati per resistere all'abrasione, agli oli e alle flessioni ripetute anziché ottimizzati esclusivamente per le prestazioni termiche.

Cavi XLPE di media e alta tensione

Al di sopra di 1 kV la costruzione del cavo diventa notevolmente più complessa. Richiedono cavi MT e AT conduttore screens and insulation screens — sottili strati di materiale semiconduttore applicati direttamente sul conduttore e sulla superficie esterna dell'isolamento — per attenuare le concentrazioni del campo elettrico sulla superficie del conduttore e sull'interfaccia isolamento-guaina. Senza questi schermi, la geometria non uniforme dei conduttori a trefoli creerebbe un’intensificazione del campo locale sufficiente a causare nel tempo il degrado dell’isolamento. L'XLPE è il materiale isolante dominante per i cavi MV e HV in tutto il mondo, avendo ampiamente sostituito i cavi isolati con carta e olio (PILC) negli ultimi 30 anni grazie alla sua superiore resistenza all'umidità, al peso leggero e alla capacità di funzionare a temperature più elevate dei conduttori (90°C continui contro 70°C per il PVC).

Cavi dati e segnali con conduttori di potenza (cavi ibridi)

I cavi ibridi combinano conduttori di alimentazione e conduttori di segnale o dati all'interno di un'unica guaina, riducendo la complessità di installazione nelle applicazioni in cui sia l'alimentazione che le comunicazioni devono raggiungere lo stesso endpoint: macchinari industriali, sistemi CCTV, automazione degli edifici e monitoraggio delle energie rinnovabili. Gli elementi di potenza e di segnale sono fisicamente separati e spesso schermati individualmente all'interno del cavo per evitare che le interferenze elettromagnetiche provenienti dai conduttori di potenza corrompano i circuiti di segnale.

Tipi di isolamento dei cavi

L'isolamento del filo è lo strato di materiale che circonda il conduttore che impedisce alla corrente di fuoriuscire dal percorso previsto. L'isolamento deve resistere allo stress elettrico della tensione operativa, allo stress termico della temperatura del conduttore sotto carico e ad eventuali sollecitazioni meccaniche o chimiche imposte dall'ambiente di installazione. La scelta del materiale isolante è una delle decisioni più importanti nelle specifiche dei cavi: determina la temperatura operativa, la capacità di trasporto di corrente, la resistenza chimica, il comportamento al fuoco e la durata.

PVC (cloruro di polivinile)

Il PVC è il materiale isolante e di guaina per cavi più utilizzato a livello globale e rappresenta la maggior parte della produzione di cavi a bassa tensione in termini di volume. La sua posizione dominante deriva da una combinazione favorevole di proprietà a basso costo: adeguata rigidità dielettrica, buona resistenza all'umidità e a molti prodotti chimici, ragionevole tenacità meccanica e facilità di lavorazione su apparecchiature di estrusione standard. L'isolamento standard in PVC è classificato per temperature continue del conduttore di 70°C , con formulazioni specializzate disponibili per applicazioni a 90°C e 105°C.

La limitazione principale del PVC è il suo comportamento al fuoco. La combustione del PVC rilascia gas di acido cloridrico e altri composti alogenati tossici, mentre i cavi in ​​PVC producono un denso fumo nero in caso di incendio. Questo è il motivo per cui l’uso del PVC è sempre più limitato o vietato in edifici con elevata occupazione, spazi ristretti, tunnel e infrastrutture di trasporto pubblico, in particolare in Europa, dove i requisiti Low Smoke Zero Halogen (LSZH) hanno sostituito il PVC in molte categorie di specifiche.

XLPE (polietilene reticolato)

XLPE è prodotto reticolando le catene polimeriche del polietilene, convertendo un materiale termoplastico in un termoindurente. La reticolazione crea una rete polimerica tridimensionale che non si scioglie né scorre a temperature elevate, a differenza del polietilene o del PVC standard, che si ammorbidiscono progressivamente all'aumentare della temperatura. Il risultato è un materiale isolante classificato per temperature continue del conduttore di 90°C (cavi di alimentazione) e temperature di cortocircuito fino a 250°C, rispetto ai limiti di 70°C continui e 160°C di cortocircuito del PVC.

La temperatura nominale più elevata di XLPE aumenta direttamente la capacità di trasporto di corrente di un cavo a una determinata dimensione del conduttore: un cavo isolato XLPE da 95 mm² trasporta circa il 15-20% di corrente in più rispetto al conduttore della stessa dimensione con isolamento in PVC in condizioni di installazione equivalenti. XLPE offre inoltre proprietà dielettriche superiori, che lo rendono l'isolante preferito per tutti i cavi di media e alta tensione. I suoi limiti includono costi di materiale e lavorazione più elevati rispetto al PVC e il fatto che la reticolazione è irreversibile: i ritagli e gli scarti del cavo XLPE non possono essere riciclati mediante rifusione.

LSZH / LS0H (zero alogeni a bassa emissione di fumi)

I composti per isolamento e guaina LSZH sono formulati a partire da polimeri termoplastici o termoindurenti privi di alogeni, in genere basati su miscele poliolefiniche riempite con triidrato di alluminio (ATH) o idrossido di magnesio come ritardanti di fiamma. Se esposti al fuoco, i materiali LSZH rilasciano una quantità minima di fumo e non producono gas di acido alogenico. Ciò migliora notevolmente la sopravvivenza e le condizioni di evacuazione negli spazi chiusi: l'acido cloridrico derivante dalla combustione dei cavi in PVC è una delle principali cause di inabilità negli incendi negli edifici , indipendentemente dal calore e dalla fiamma stessa.

I cavi LSZH sono obbligatori nei tunnel, negli aeroporti, nelle stazioni ferroviarie, nei data center, nelle navi militari e negli edifici ad alta occupazione nella maggior parte dei mercati sviluppati. Il compromesso rispetto al PVC è un costo più elevato e, in alcune formulazioni, una flessibilità ridotta alle basse temperature, aspetto rilevante per installazioni in climi freddi o ambienti refrigerati.

EPR (gomma etilene propilene)

L'EPR è un materiale isolante in gomma sintetica che offre eccellente flessibilità in un ampio intervallo di temperature (tipicamente da −40°C a 90°C continui), eccezionale resistenza all'ozono, ai raggi UV e agli agenti atmosferici e buone proprietà dielettriche. I cavi EPR mantengono la flessibilità in condizioni di freddo dove PVC e XLPE si irrigidiscono notevolmente, rendendo l'EPR l'isolante preferito per cavi minerari, applicazioni offshore e marine, cavi di saldatura e qualsiasi installazione che richieda flessioni ripetute in ambienti esterni o difficili. L'EPR viene utilizzato anche come isolante nei cavi di media tensione dove la sua flessibilità semplifica l'installazione in percorsi di cavi congestionati.

Gomma siliconica

L'isolamento in gomma siliconica funziona in un intervallo di temperature eccezionale, in genere Da -60°C a 180°C in modo continuo, con alcuni gradi classificati a 200°C o oltre. Rimane flessibile a temperature criogeniche, laddove la maggior parte degli altri materiali isolanti diventano fragili, e mantiene le sue proprietà elettriche a temperature che degraderebbero il PVC o l'EPR. I cavi isolati in silicone vengono utilizzati nei cablaggi di forni, elementi riscaldanti, applicazioni aerospaziali e di difesa e apparecchiature industriali ad alta temperatura. Il silicone ha una resistenza meccanica relativamente bassa rispetto ai materiali isolanti più duri e richiede un'attenta manipolazione per evitare l'abrasione superficiale, ma nelle applicazioni ad alta temperatura è spesso l'unica opzione isolante praticabile.

PTFE (Politetrafluoroetilene)

Il PTFE offre la più alta resistenza chimica rispetto a qualsiasi comune materiale isolante per cavi: è essenzialmente inerte a tutti gli acidi, basi e solventi a temperature fino a 260°C. I fili isolati in PTFE vengono utilizzati in strumenti di laboratorio, apparecchiature per il trattamento chimico, cablaggi aerospaziali e qualsiasi applicazione in cui l'esposizione a sostanze chimiche aggressive o temperature estreme distruggerebbe altri materiali isolanti. Il PTFE è costoso e difficile da lavorare, il che ne limita l'uso ad applicazioni specialistiche in cui la sua combinazione di proprietà uniche non può essere replicata da alternative a basso costo.

Ossido di magnesio (isolamento minerale)

Come descritto nella sezione precedente sui tipi di cavi, la polvere di MgO compressa funge da mezzo isolante nei cavi con isolamento minerale. È l'unico isolante per cavi veramente incombustibile di uso comune: non brucia, non emette gas e non si degrada in condizioni di incendio che distruggerebbero ogni altro tipo di isolamento. La sua applicazione è specializzata ma critica ovunque l'integrità del circuito in condizioni di incendio sia un requisito di sicurezza.

In che modo l'ambiente di installazione determina la selezione di cavi e isolamento

Nessun singolo tipo di cavo o materiale isolante è universalmente ottimale: la specifica corretta è sempre determinata dalla combinazione dei requisiti elettrici e dell'ambiente fisico a cui il cavo deve sopravvivere per tutta la sua durata di servizio.

• Interramento diretto senza condotto richiede cavi armati (SWA o AWA) con robuste guaine esterne resistenti all'umidità del terreno, ai prodotti chimici del suolo e ai disturbi meccanici occasionali. L'isolamento XLPE è preferito rispetto al PVC per la sua resistenza all'umidità e una maggiore capacità di corrente.
• Edifici chiusi e spazi pubblici richiedono sempre più cavi LSZH ai sensi delle normative sulla sicurezza antincendio, in particolare nelle vie di fuga, nei locali tecnici e nelle aree sopra i controsoffitti dove i cavi corrono in quantità.
• Piste esposte all'aperto richiedere guaine stabilizzate ai raggi UV (polietilene nero o PVC resistente ai raggi UV) e, per i cavi soggetti a rischio di danneggiamento meccanico, armatura o protezione del condotto.
• Ambienti ad alta temperatura — vicino a forni, motori o sistemi di scarico — richiedono cavi adatti alla temperatura ambiente più l'aumento della temperatura del conduttore sotto carico. L'isolamento in silicone o EPR è generalmente specificato laddove la temperatura ambiente supera i 70°C.
• Esposizione chimica — in impianti farmaceutici, petrolchimici o di trasformazione alimentare — possono richiedere isolamento in PTFE o guaine appositamente composte resistenti alle sostanze chimiche specifiche presenti, poiché il PVC o XLPE standard possono gonfiarsi, rompersi o perdere l'integrità dielettrica se esposti a determinati solventi e oli.

Comprendere queste relazioni tra ambiente di installazione, struttura del cavo e materiale isolante è il fondamento di una corretta specifica del cavo. La scelta di un cavo adatto all'ambiente sbagliato è una delle cause più comuni di guasto prematuro del cavo — e nelle applicazioni di distribuzione dell'energia, i guasti ai cavi comportano tempi di inattività non pianificati, sostituzioni costose su percorsi inaccessibili e potenziali incidenti di sicurezza.