Cos'è un cavo di alimentazione? Spiegazione dei diversi tipi di cavi di alimentazione

Cos'è un Cavo di alimentazione — Definizione e costruzione del nucleo

A cavo di alimentazione è un insieme di uno o più conduttori elettrici isolati racchiusi all'interno di un rivestimento esterno protettivo, progettato per trasmettere energia elettrica da una sorgente a un carico. A differenza dei cavi di segnale o dati, che trasportano tensioni e correnti di basso livello per la trasmissione di informazioni, i cavi di alimentazione sono progettati specificamente per gestire la capacità di trasporto di corrente, lo stress di tensione e le condizioni termiche associate alla distribuzione dell'energia elettrica e all'alimentazione delle apparecchiature.

La struttura fondamentale di un cavo di alimentazione è costituita da tre strati funzionali. Il conduttore - tipicamente rame o alluminio intrecciato o solido - fornisce il percorso di corrente a bassa resistenza. Il isolamento Lo strato che circonda il conduttore resiste alla tensione operativa, prevenendo la dispersione di corrente verso conduttori adiacenti o strutture circostanti. Il giacca esterna o una guaina protegge i componenti interni da danni meccanici, umidità, sostanze chimiche, radiazioni UV e altri fattori ambientali rilevanti per l'ambiente di installazione.

Tra l'isolamento e la guaina, molte costruzioni di cavi di alimentazione includono strati aggiuntivi: schermi metallici o schermature per cavi di media e alta tensione gestiscono la distribuzione del campo elettrico attorno al conduttore; strati di armatura di filo o nastro di acciaio forniscono protezione meccanica per l'interramento diretto o per l'uso industriale pesante; e i materiali di riempimento mantengono la sezione trasversale circolare del cavo e impediscono la migrazione interna dell'umidità. La combinazione specifica di questi livelli definisce la tensione nominale del cavo, la capacità di corrente, il metodo di installazione e l'ambiente di servizio: ecco perché è importante comprendere i diversi tipi di cavi di alimentazione prima di specificarli o procurarseli.

Diversi tipi di cavi di alimentazione per classe di tensione

La classificazione più fondamentale di tipi di cavi di alimentazione dipende dalla tensione nominale, poiché la tensione determina lo spessore dell'isolamento richiesto, il design dello schermo e i requisiti di installazione. Le tre principali classi di tensione utilizzate negli standard internazionali sono:

• Cavi a bassa tensione (LV) — fino a 1 kV: Utilizzato per cablaggi di edifici, collegamenti di apparecchiature, cablaggi di pannelli industriali e circuiti di distribuzione finale. La costruzione è relativamente semplice: conduttori isolati, spesso con rivestimento esterno in PVC o LSOH, senza schermi metallici. Le denominazioni comuni includono NYY, YJV (Cina), N2XY (IEC) e THHN/THWN (Nord America). Le sezioni trasversali dei conduttori vanno da 1,5 mm² per i circuiti di illuminazione a 400 mm² o superiori per gli alimentatori di distribuzione principali.
• Cavi di media tensione (MT) — da 1 kV a 35 kV: Utilizzato per reti di distribuzione di servizi pubblici, alimentatori di impianti industriali, sistemi di raccolta di parchi eolici e solari e distribuzione urbana sotterranea. I cavi MT richiedono schermi conduttori, schermi isolanti e guaine metalliche o schermi di fili per controllare il campo elettrico e prevenire scariche parziali. L'isolamento XLPE (polietilene reticolato) ha ampiamente sostituito l'isolamento carta-olio nelle nuove installazioni MT grazie al suo peso di installazione inferiore, all'assenza di rischio di perdite d'olio e alle giunzioni più facili.
• Cavi ad alta tensione (HV) e ad altissima tensione (EHV) — superiori a 35 kV: Utilizzato per la trasmissione di energia di massa, interconnessioni sottomarine e cavi sotterranei in aree urbane dense dove le linee aeree non sono pratiche. La costruzione diventa significativamente più complessa a questi livelli di tensione, richiedendo isolamento estruso di precisione con un contenuto di vuoti estremamente basso, guaine in piombo o alluminio ondulato per l'esclusione dell'umidità e un attento controllo della levigatezza della superficie del conduttore e dello schermo isolante per evitare l'aumento del campo elettrico in corrispondenza dei difetti. I cavi isolati XLPE ora funzionano fino a 525 kV nel servizio commerciale.

Diversi tipi di cavi di alimentazione in base al materiale isolante

Il materiale isolante è il secondo asse principale lungo il quale divergono i tipi di cavi di alimentazione, poiché determina la temperatura nominale, la resistenza chimica, la flessibilità, la resistenza al fuoco e il comportamento all'invecchiamento a lungo termine. I sistemi di isolamento dominanti attualmente in uso sono:

• PVC (cloruro di polivinile): L'isolamento più utilizzato per cavi LV a livello globale. Economico, facile da lavorare e disponibile in un'ampia gamma di formulazioni di composti per diversi requisiti di temperatura e flessibilità. L'isolamento standard in PVC è valutato per una temperatura del conduttore di 70°C; i gradi resistenti al calore raggiungono i 90°C. Le limitazioni principali sono le scarse prestazioni alle basse temperature (diventa fragile al di sotto di -15°C e -20°C), il rilascio di gas di acido cloridrico corrosivo quando bruciato e perdite dielettriche relativamente elevate a tensioni elevate, motivo per cui il PVC non viene utilizzato al di sopra di 6 kV.
• XLPE (Polietilene reticolato): Ora l'isolamento standard per i cavi MV, HV ed EHV e sempre più utilizzato anche nei cavi LV. La reticolazione converte il polietilene termoplastico in un materiale termoindurente che mantiene le sue proprietà a temperature elevate: i cavi XLPE sono generalmente classificati a 90°C continui e 250°C in condizioni di cortocircuito, significativamente più alti del PVC. L'XLPE offre inoltre perdite dielettriche inferiori, migliore resistenza all'umidità e invecchiamento a lungo termine superiore rispetto al PVC. Il compromesso è un costo del materiale più elevato e un processo di estrusione più impegnativo.
• EPR (Gomma etilene propilene): Un isolamento in gomma termoindurente che offre eccellente flessibilità in un ampio intervallo di temperature (da -50°C a 90°C), resistenza superiore all'ozono e ai raggi UV e ottime prestazioni in condizioni di bagnato. L'EPR è l'isolamento preferito per cavi offshore, marini e minerari in cui si combinano flessioni ripetute, ambienti umidi e temperature estreme. Il suo costo più elevato e le perdite dielettriche leggermente più elevate rispetto all'XLPE ne limitano l'uso nelle installazioni di cavi di servizio statici.
• LSOH / LSZH (zero alogeni a bassa emissione di fumi): Non un singolo materiale ma una classe composta: isolamenti e guaine a base di poliolefine formulati per produrre fumo minimo e assenza di gas contenenti alogeni quando bruciati. Obbligatorio o fortemente preferito in spazi confinati tra cui tunnel, sistemi metropolitani, piattaforme offshore, data center ed edifici pubblici dove l'evacuazione in uno scenario di incendio dipende dal mantenimento della visibilità e dell'aria respirabile. I composti LSOH vengono utilizzati sia per l'isolamento che per il rivestimento esterno nei cavi LV per questi ambienti.
• Isolamento minerale (cavi MICC): Conduttori in rame circondati da polvere di ossido di magnesio compattata all'interno di un tubo di rame senza saldatura. I cavi con isolamento minerale sono intrinsecamente ignifughi – continuano a funzionare a temperature fino a 1.000°C – rendendoli il tipo di cavo richiesto per circuiti critici per gli incendi, tra cui illuminazione di emergenza, sistemi di allarme antincendio e forniture di pompe sprinkler in molti regolamenti edilizi nazionali.

Scegliere il cavo di alimentazione giusto: metodo di installazione e fattori ambientali

Oltre alla classe di tensione e al materiale isolante, l'ambiente di installazione determina le caratteristiche aggiuntive del cavo richieste. La stessa sezione del conduttore e il tipo di isolamento possono essere adeguati o del tutto inadeguati a seconda di come e dove viene installato il cavo.

Sepoltura diretta nel terreno richiede un cavo armato (armatura in filo di acciaio o armatura in nastro di acciaio) per resistere ai danni meccanici derivanti dal movimento del terreno e dallo scavo, oppure l'installazione in un condotto che fornisce la protezione meccanica. I cavi interrati diretti richiedono inoltre guaine esterne resistenti ai raggi UV se qualsiasi parte del percorso è fuori terra, e una struttura resistente all'umidità per impedire l'ingresso di acqua nel corso di decenni di servizio.

Passerelle portacavi e installazioni all'aperto negli impianti industriali si privilegia il ritardo di fiamma e la facilità di ispezione e sostituzione. I cavi multipolari con guaina esterna in LSOH o FR-PVC sui sistemi a passerelle sono standard. Laddove i cavi corrono in parallelo su passerelle, fattori di declassamento della corrente, in genere 0,7–0,85 dei valori nominali del cavo singolo a seconda del raggruppamento, deve essere applicato per tenere conto del riscaldamento reciproco tra cavi adiacenti.

Cavi flessibili e da trascinamento per macchinari mobili, gru e apparecchiature portatili richiedono conduttori a filo sottile (Classe 5 o Classe 6 secondo IEC 60228) e isolamento e guaina in gomma o TPE altamente flessibili che resistano a flessioni ripetute senza fessurazioni da fatica. Questi cavi sono classificati per un raggio di curvatura minimo definito e un numero finito di cicli di flessione: specificare un cavo a installazione fissa in un'applicazione flessibile è uno degli errori di selezione più comuni e consequenziali nell'ingegneria elettrica industriale.

Cavi sottomarini e offshore combinano contemporaneamente molteplici esigenze di protezione: resistenza alla pressione in profondità, resistenza chimica dell'acqua di mare, protezione meccanica contro la resistenza dell'ancora e degli attrezzi da pesca e, nel caso di cavi sottomarini AC lunghi, un'attenta gestione della corrente di carica capacitiva. I cavi sottomarini CC ad alta tensione (HVDC) sono diventati lo standard per le lunghe connessioni di esportazione dei parchi eolici offshore proprio perché la trasmissione CC elimina le perdite di corrente di carica che rendono impraticabili i cavi sottomarini CA lunghi oltre circa 80-100 km.