Come viene progettata la schermatura nei cavi di alimentazione ad alta tensione?

Cavi elettrici ad alta tensione sono componenti essenziali nei moderni sistemi elettrici, poiché trasmettono l'elettricità in modo efficiente e sicuro su lunghe distanze. Uno degli aspetti più critici di questi cavi è la loro progettazione della schermatura , che svolge un ruolo fondamentale nel garantire sia l’affidabilità operativa che la sicurezza.

Comprendere il ruolo della schermatura

La schermatura nei cavi di alimentazione ad alta tensione ha molteplici scopi:

1. Controllo del campo elettrico: I conduttori ad alta tensione generano forti campi elettrici. La schermatura garantisce che questi campi siano distribuiti uniformemente, prevenendo stress localizzati che potrebbero degradare l'isolamento o causare guasti.
2. Sicurezza: Contenendo il campo elettrico, la schermatura riduce il rischio di contatto accidentale, che è particolarmente critico per i lavoratori e le apparecchiature vicine.
3. Minimizzazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI): Le correnti ad alta tensione possono indurre campi elettromagnetici che interferiscono con i dispositivi elettronici sensibili vicini. Una schermatura adeguata mitiga questo problema.
4. Riduzione dello stress da tensione: La schermatura aiuta a mantenere il gradiente di tensione uniforme all'interno del cavo, prolungando la durata dell'isolamento e migliorando l'affidabilità.

In sostanza, la schermatura è sia una caratteristica protettiva che di miglioramento delle prestazioni.

Componenti della schermatura nei cavi elettrici ad alta tensione

I cavi elettrici ad alta tensione sono strutture complesse e la schermatura è uno degli strati integrali. I componenti principali associati alla schermatura includono:

1. Schermo del conduttore:

   • Questo è uno strato semiconduttivo applicato direttamente sul conduttore.
   • La sua funzione primaria è quella di eliminare gli spigoli vivi sulla superficie del conduttore che potrebbero concentrare il campo elettrico e sollecitare l'isolamento.
   • Materiali: composti polimerici semiconduttivi tipicamente estrusi.

2. Isolamento:

   • Pur non essendo uno schermo vero e proprio, lo strato isolante funziona in tandem con il conduttore e gli schermi isolanti per prevenire guasti elettrici.

3. Schermo isolante:

   • Questo strato semiconduttivo viene applicato sopra l'isolamento.
   • Il suo scopo è quello di garantire un'interfaccia uniforme tra l'isolamento e lo schermo metallico, prevenendo vuoti o spazi d'aria che possono portare a scariche parziali.

4. Scudo Metallico (o Schermo):

   • Questo strato è costituito da fili di rame, nastri o guaine di piombo che circondano completamente l'isolamento.
   • Fornisce un percorso per correnti di guasto, messa a terra e schermatura elettromagnetica.
   • In alcuni progetti, gli schermi metallici proteggono anche il cavo da danni meccanici esterni.

5. Guaina esterna:

   • La guaina esterna è lo strato protettivo finale, che protegge lo schermo metallico da fattori ambientali quali umidità, sostanze chimiche e impatti meccanici.

Tipi di schermatura nei cavi elettrici ad alta tensione

La schermatura può variare a seconda del livello di tensione, dell'applicazione del cavo e dell'ambiente di installazione. I tipi principali includono:

1. Neutro concentrico (o schermatura del filo)

• I fili di rame sono avvolti elicoidalmente attorno all'isolamento o al conduttore.
• Fornisce un'eccellente messa a terra ed è facile da terminare con connettori standard.
• Spesso utilizzato nei cavi di alimentazione a media e alta tensione in applicazioni industriali e di pubblica utilità.

2. Schermatura a nastro

• Nastri metallici sottili, solitamente rame o alluminio, sono avvolti elicoidalmente o longitudinalmente attorno all'isolamento.
• Offre una copertura uniforme e riduce l'impedenza per le correnti di guasto.
• Comune nei cavi ad alta e altissima tensione grazie alla sua interfaccia liscia con l'isolamento.

3. Schermatura della guaina di piombo

• È possibile applicare uno strato di piombo sia per la schermatura elettrica che per la protezione dall'umidità.
• Utilizzato principalmente in cavi ad alta tensione sotterranei o sottomarini dove la protezione dell'ambiente è fondamentale.
• Gli scudi in piombo sono altamente durevoli ma più pesanti e meno flessibili degli scudi a base di rame.

4. Polietilene reticolato (XLPE) con schermi semiconduttivi

• I moderni cavi ad alta tensione utilizzano spesso l'isolamento XLPE combinato con schermature semiconduttive.
• Gli strati semiconduttivi riducono i rischi di scariche parziali fornendo allo stesso tempo una distribuzione uniforme della tensione di tensione.
• Leggero e adatto per applicazioni sotterranee ad alta tensione.

Considerazioni sulla progettazione della schermatura

La progettazione della schermatura per i cavi di alimentazione ad alta tensione richiede un'attenta considerazione dei fattori elettrici, meccanici e ambientali.

1. Livello di tensione

• Maggiore è la tensione, più critica diventa la schermatura.
• Le applicazioni ad alta tensione richiedono un controllo preciso dei campi elettrici per prevenire la rottura dell'isolamento.

2. Capacità di carico corrente

• La schermatura deve accogliere in modo sicuro le correnti di guasto.
• I progettisti calcolano l'area della sezione trasversale richiesta degli schermi metallici per gestire le massime correnti di guasto potenziali senza surriscaldamento.

3. Condizioni ambientali

• I cavi sotterranei possono essere esposti a umidità, sostanze chimiche del suolo o pressione meccanica.
• I cavi sottomarini richiedono schermatura impermeabile e materiali resistenti alla corrosione.

4. Compatibilità elettromagnetica (EMC)

• Cavi elettrici ad alta tensione possono generare campi elettromagnetici significativi.
• Il design della schermatura tiene conto della vicinanza alle apparecchiature sensibili per ridurre le interferenze.

5. Flessibilità e installazione

• Potrebbe essere necessario piegare i cavi attorno agli angoli o passare attraverso i condotti.
• La schermatura deve mantenere l'integrità elettrica e meccanica anche sotto sollecitazioni di flessione.

6. Considerazioni termiche

• Gli schermi conducono il calore lontano dal conduttore.
• Una corretta progettazione termica garantisce la longevità dell'isolamento e previene il surriscaldamento in condizioni normali o di guasto.

Test delle prestazioni di schermatura

Garantire che la schermatura funzioni come previsto è fondamentale per un funzionamento sicuro e affidabile. I test comuni includono:

1. Prova di scarica parziale

   • Rileva vuoti, difetti o spazi tra gli strati isolanti e schermanti.

2. Prova di resistenza alla tensione

   • Viene applicata l'alta tensione per confermare che l'isolamento e la schermatura possono gestire in sicurezza le tensioni operative.