Nei moderni sistemi elettrici, i cavi ad alta tensione svolgono un ruolo fondamentale. Dalle reti elettriche sotterranee nelle città alle linee di trasmissione a lunga distanza attraverso montagne e fiumi, i cavi ad alta tensione garantiscono una trasmissione efficiente, stabile e sicura dell'energia elettrica. Questo articolo esplorerà in dettaglio le diverse tecnologie relative ai cavi ad alta tensione, inclusi la loro struttura, classificazione, processo di produzione, caratteristiche prestazionali, installazione e manutenzione.
1. Struttura di base dei cavi ad alta tensione
I cavi ad alta tensione sono composti principalmente da conduttori, strati isolanti, strati schermanti e strati protettivi.
Il conduttore è il canale di trasmissione della corrente ed è solitamente realizzato in rame o alluminio. Il rame ha una buona conduttività e duttilità, mentre l'alluminio è relativamente economico e leggero. Questi conduttori sono generalmente sotto forma di fili intrecciati multifilari per aumentarne la flessibilità.
Lo strato isolante è un elemento fondamentale del cavo ad alta tensione, che svolge un ruolo fondamentale nel prevenire le dispersioni di corrente e nell'isolare il conduttore dal mondo esterno. Tra i materiali isolanti più comuni figurano il polietilene reticolato (XLPE), la carta oleata, ecc. L'XLPE possiede eccellenti proprietà elettriche, resistenza al calore e resistenza meccanica, ed è ampiamente utilizzato nei moderni cavi ad alta tensione.
Lo strato di schermatura si divide in schermatura interna e schermatura esterna. La schermatura interna serve a uniformare il campo elettrico e a impedire che scariche localizzate danneggino lo strato isolante; la schermatura esterna può ridurre l'interferenza del campo elettromagnetico esterno sul cavo e impedire che il cavo abbia un impatto elettromagnetico sul mondo esterno.
Lo strato protettivo protegge principalmente il cavo dai danni causati da fattori esterni come danni meccanici, corrosione chimica e infiltrazioni d'acqua. È solitamente composto da un'armatura metallica e da una guaina esterna. L'armatura metallica fornisce resistenza meccanica, mentre la guaina esterna ha funzioni impermeabili e anticorrosione.
2. Classificazione dei cavi ad alta tensione
In base al livello di tensione, i cavi ad alta tensione possono essere suddivisi in cavi a media tensione (generalmente 3-35 kV), cavi ad alta tensione (35-110 kV), cavi ad altissima tensione (110-500 kV) e cavi ad altissima tensione (oltre 500 kV). I cavi di diversi livelli di tensione differiscono per progettazione strutturale, requisiti di isolamento, ecc.
Dal punto di vista dei materiali isolanti, oltre ai cavi XLPE e ai cavi in carta oleata sopra menzionati, esistono anche cavi in gomma etilene-propilene. I cavi in carta oleata hanno una lunga storia, ma a causa degli elevati costi di manutenzione e di altri motivi, sono stati gradualmente sostituiti dai cavi XLPE. I cavi in gomma etilene-propilene presentano una buona flessibilità e resistenza agli agenti atmosferici, e sono adatti ad alcune occasioni speciali.
3. Processo di fabbricazione del cavo ad alta tensione
La produzione di cavi ad alta tensione è un processo complesso e delicato.
La produzione dei conduttori richiede innanzitutto che le materie prime di rame o alluminio vengano stirate, attorcigliate e sottoposte ad altri processi per garantire la precisione dimensionale e le proprietà meccaniche del conduttore. Durante il processo di torsione, i trefoli dei trefoli devono essere disposti in modo ravvicinato per migliorare la conduttività del conduttore.
L'estrusione dello strato isolante è uno dei passaggi chiave. Per lo strato isolante in XLPE, il materiale XLPE viene estruso ad alta temperatura e avvolto uniformemente sul conduttore. Durante il processo di estrusione, parametri come temperatura, pressione e velocità di estrusione devono essere rigorosamente controllati per garantire la qualità e l'uniformità dello spessore dello strato isolante.
Lo strato di schermatura è solitamente realizzato mediante intreccio di fili metallici o avvolgimento con nastro metallico. I processi di fabbricazione degli schermi interni ed esterni sono leggermente diversi, ma entrambi devono garantire l'integrità dello strato di schermatura e una buona connessione elettrica.
Infine, la produzione dello strato protettivo comprende la posa dell'armatura metallica e l'estrusione della guaina esterna. L'armatura metallica deve aderire perfettamente al cavo e l'estrusione della guaina esterna deve garantire un aspetto liscio e privo di difetti come bolle e crepe.
4. Caratteristiche prestazionali dei cavi ad alta tensione
In termini di prestazioni elettriche, i cavi ad alta tensione devono avere un'elevata resistenza di isolamento, basse perdite dielettriche e una buona resistenza alla tensione. Un'elevata resistenza di isolamento può prevenire efficacemente le dispersioni di corrente, basse perdite dielettriche riducono la perdita di energia elettrica durante la trasmissione e una buona resistenza alla tensione garantisce che il cavo possa funzionare in sicurezza in un ambiente ad alta tensione.
In termini di proprietà meccaniche, il cavo deve avere una resistenza alla trazione, un raggio di curvatura e una resistenza agli urti adeguati. Durante l'installazione e il funzionamento, il cavo può essere soggetto a stiramenti, flessioni e impatti dovuti a forze esterne. Se le proprietà meccaniche sono insufficienti, è facile che il cavo si danneggi.
Anche le prestazioni termiche sono un aspetto importante. Il cavo genera calore durante il funzionamento, soprattutto se sottoposto a carichi elevati. Pertanto, il cavo deve avere una buona resistenza al calore ed essere in grado di funzionare normalmente entro un certo intervallo di temperatura senza problemi come l'invecchiamento dell'isolamento. Il cavo XLPE ha una resistenza al calore relativamente buona e può funzionare a lungo a temperature più elevate.
5. Installazione e manutenzione di cavi ad alta tensione
In termini di installazione, la prima cosa da fare è pianificare il percorso per garantire che il percorso di posa dei cavi sia ragionevole e sicuro. Durante la posa, è necessario prestare attenzione a evitare eccessivi allungamenti, piegamenti ed estrusioni del cavo. Per la posa di cavi su lunghe distanze, vengono solitamente utilizzate attrezzature come i trasportatori per cavi per facilitare la costruzione.
La produzione di giunti per cavi è un passaggio fondamentale nel processo di installazione. La qualità del giunto influisce direttamente sull'affidabilità operativa del cavo. Durante la realizzazione dei giunti, il cavo deve essere spellato, pulito, collegato e isolato. Ogni fase deve essere eseguita rigorosamente in conformità con i requisiti di processo per garantire che le proprietà elettriche e meccaniche del giunto soddisfino i requisiti.
Gli interventi di manutenzione sono essenziali per il funzionamento stabile a lungo termine dei cavi ad alta tensione. Ispezioni regolari possono rilevare tempestivamente eventuali danni all'aspetto del cavo o alla guaina. Allo stesso tempo, alcune apparecchiature di prova possono essere utilizzate anche per testare le prestazioni di isolamento e la scarica parziale del cavo. Se si riscontrano problemi, è necessario ripararli o sostituirli tempestivamente.
6. Guasto e rilevamento dei cavi ad alta tensione
I guasti più comuni dei cavi ad alta tensione includono la rottura dell'isolamento, la disconnessione del conduttore e la rottura dei giunti. La rottura dell'isolamento può essere causata dall'invecchiamento dell'isolamento, da scariche parziali o da sovratensioni esterne. La disconnessione del conduttore è solitamente causata da forze meccaniche esterne o da sovraccarichi prolungati. La rottura dei giunti può essere causata da un processo di fabbricazione inadeguato o da un eccessivo surriscaldamento durante il funzionamento.
Per rilevare questi guasti, esistono diversi metodi di rilevamento. Il rilevamento delle scariche parziali è un metodo comunemente utilizzato. Rilevando il segnale generato dalle scariche parziali nel cavo, è possibile determinare se sono presenti difetti di isolamento al suo interno. Il test di tensione di tenuta può rilevare la capacità di tenuta del cavo e individuare potenziali problemi di isolamento. Inoltre, la tecnologia di imaging termico a infrarossi può rilevare la distribuzione della temperatura sulla superficie del cavo, in modo da individuare eventuali problemi come il surriscaldamento locale.
7. Applicazione e trend di sviluppo dei cavi ad alta tensione nei sistemi di alimentazione
Nei sistemi elettrici, i cavi ad alta tensione sono ampiamente utilizzati nella trasformazione della rete elettrica urbana, nelle linee di uscita di grandi centrali elettriche, nella trasmissione via cavo sottomarino e in altri settori. Nelle reti elettriche urbane, a causa dello spazio limitato, l'uso di cavi interrati può risparmiare spazio e migliorare l'estetica della città. Le linee di uscita delle grandi centrali elettriche richiedono l'uso di cavi ad alta tensione per trasmettere l'elettricità a sottostazioni distanti. La trasmissione via cavo sottomarino può realizzare la trasmissione di energia attraverso il mare e fornire un'alimentazione elettrica stabile a isole e zone costiere.
Con il continuo sviluppo della tecnologia energetica, anche i cavi ad alta tensione hanno mostrato alcune tendenze evolutive. Una di queste è la ricerca, lo sviluppo e l'applicazione di cavi con livelli di tensione più elevati. Con l'aumento della domanda di trasmissione di energia a lunga distanza, lo sviluppo di cavi ad altissima tensione diventerà un obiettivo fondamentale. La seconda è l'intelligenza dei cavi. Integrando sensori e altre apparecchiature nel cavo, è possibile monitorare in tempo reale lo stato operativo del cavo e segnalare eventuali guasti, migliorandone così l'affidabilità operativa. La terza è lo sviluppo di cavi ecocompatibili. Con l'aumento delle esigenze di tutela ambientale da parte delle persone, la ricerca e lo sviluppo di materiali per cavi riciclabili e a basso inquinamento saranno una delle direzioni di sviluppo future.
Data di pubblicazione: 24 settembre 2024