Nei cavi in corrente alternata (CA), la distribuzione delle sollecitazioni dovute al campo elettrico è uniforme e la scelta dei materiali isolanti si concentra sulla costante dielettrica, che non risente della temperatura. Al contrario, nei cavi in corrente continua (CC), la distribuzione delle sollecitazioni è massima nello strato interno dell'isolamento ed è influenzata dalla resistività del materiale isolante. I materiali isolanti presentano un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che all'aumentare della temperatura, la resistività diminuisce.
Quando un cavo è in funzione, le perdite nel nucleo provocano un aumento della temperatura, con conseguenti variazioni della resistività del materiale isolante. Questo, a sua volta, causa una variazione della sollecitazione del campo elettrico all'interno dello strato isolante. In altre parole, a parità di spessore dell'isolamento, la tensione di rottura diminuisce all'aumentare della temperatura. Per le linee principali in corrente continua nelle centrali elettriche distribuite, il tasso di invecchiamento del materiale isolante è significativamente più rapido a causa delle fluttuazioni della temperatura ambiente rispetto ai cavi interrati, un aspetto critico da tenere presente.
Durante la produzione degli strati isolanti dei cavi, vengono inevitabilmente introdotte delle impurità. Queste impurità presentano una resistività di isolamento relativamente inferiore e sono distribuite in modo non uniforme lungo la direzione radiale dello strato isolante. Ciò si traduce in una resistività volumetrica variabile in punti diversi. Sotto tensione continua, anche il campo elettrico all'interno dello strato isolante varia, causando un invecchiamento più rapido delle aree con la resistività volumetrica più bassa, che diventano così potenziali punti di guasto.
I cavi in corrente alternata non presentano questo fenomeno. In parole semplici, la sollecitazione sui materiali dei cavi in corrente alternata è distribuita uniformemente, mentre nei cavi in corrente continua la sollecitazione dell'isolamento è sempre concentrata nei punti più deboli. Pertanto, i processi e gli standard di produzione per i cavi in corrente alternata e in corrente continua devono essere gestiti in modo diverso.
Polietilene reticolato (XLPE)I cavi isolati sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni in corrente alternata (CA) grazie alle loro eccellenti proprietà dielettriche e fisiche, nonché all'elevato rapporto costo-prestazioni. Tuttavia, quando utilizzati come cavi in corrente continua (CC), presentano una sfida significativa legata alla carica spaziale, particolarmente critica nei cavi CC ad alta tensione. Quando si utilizzano polimeri come isolanti per i cavi CC, un elevato numero di trappole localizzate all'interno dello strato isolante provoca l'accumulo di cariche spaziali. L'impatto delle cariche spaziali sui materiali isolanti si manifesta principalmente in due aspetti: distorsione del campo elettrico ed effetti di distorsione non elettrica, entrambi altamente dannosi per il materiale isolante.
La carica spaziale si riferisce alla carica in eccesso rispetto alla neutralità elettrica all'interno di un'unità strutturale di un materiale macroscopico. Nei solidi, le cariche spaziali positive o negative sono legate a livelli energetici localizzati, generando effetti di polarizzazione sotto forma di polaroni legati. La polarizzazione da carica spaziale si verifica quando sono presenti ioni liberi in un materiale dielettrico. A causa del movimento degli ioni, gli ioni negativi si accumulano all'interfaccia vicino all'elettrodo positivo e gli ioni positivi si accumulano all'interfaccia vicino all'elettrodo negativo. In un campo elettrico alternato (AC), la migrazione delle cariche positive e negative non riesce a tenere il passo con le rapide variazioni del campo elettrico alla frequenza di rete, pertanto non si verificano effetti di carica spaziale. In un campo elettrico continuo (DC), tuttavia, il campo elettrico si distribuisce in base alla resistività, portando alla formazione di cariche spaziali e influenzando la distribuzione del campo elettrico. L'isolamento in XLPE contiene un elevato numero di stati localizzati, il che rende gli effetti di carica spaziale particolarmente accentuati.
L'isolamento in XLPE è reticolato chimicamente, formando una struttura reticolata integrata. Essendo un polimero non polare, il cavo stesso può essere paragonato a un grande condensatore. Quando la trasmissione in corrente continua si interrompe, è come se un condensatore si caricasse. Sebbene il nucleo conduttore sia collegato a terra, non si verifica una scarica efficace, lasciando una quantità significativa di energia in corrente continua immagazzinata nel cavo sotto forma di cariche spaziali. A differenza dei cavi di alimentazione in corrente alternata, dove le cariche spaziali vengono dissipate attraverso le perdite dielettriche, queste cariche si accumulano in corrispondenza dei difetti del cavo.
Nel tempo, con frequenti interruzioni di corrente o fluttuazioni dell'intensità di corrente, i cavi con isolamento in XLPE accumulano sempre più cariche spaziali, accelerando l'invecchiamento dello strato isolante e riducendo la durata di vita del cavo.
Data di pubblicazione: 10 marzo 2025