Dimensionamento dei cavi di media tensione: controlli di portata, caduta di tensione e cortocircuito

Supponiamo di avere un trasformatore alimentatore da 13,8 kV con una corrente primaria calcolata di 84 A. Una rapida tabella di portata potrebbe suggerire un conduttore in rame n. 3 AWG. Tuttavia, una tipica installazione sul campo spesso termina con un cavo 2/0 AWG. Il motivo è che il dimensionamento dei cavi di media tensione non può fermarsi alla portata.

La dimensione corretta deve inoltre superare i limiti di caduta di tensione, sopravvivere alla corrente di cortocircuito disponibile, rispettare le dimensioni minime pratiche dei conduttori e tenere conto delle reali condizioni di installazione come la temperatura del suolo, i banchi di condotti e i circuiti paralleli. Trattalo come un ciclo di verifica, non come un singolo passaggio di ricerca.

Cosa significa "dimensionamento" per i cavi MT

Per cavi di media tensione si intendono generalmente cavi con tensione nominale superiore a 1 kV e fino a 35 kV. Le classi di tensione comuni includono 3,6/6 kV, 6/10 kV, 8,7/15 kV, 12/20 kV e 18/30 kV. Dimensionare un cavo MT significa selezionare la sezione trasversale del conduttore, il livello di isolamento e la struttura dello schermo che consentono al cavo di funzionare in sicurezza per tutta la sua vita utile sia in condizioni di carico costante che di guasto.

I controlli principali sono contigui: capacità di trasporto di corrente continua, caduta di tensione, tenuta termica al cortocircuito e declassamento in base alle condizioni di installazione. In molti progetti industriali, la dimensione finale viene decisa dal controllo del cortocircuito o della caduta di tensione piuttosto che dal controllo della portata, soprattutto quando l'alimentatore è lungo o il livello di guasto è elevato.

Passaggio 1: definire il sistema e gli ingressi dei cavi

Prima di iniziare qualsiasi calcolo, raccogliere i dati di sistema. Sono necessari la tensione nominale fase-fase, la corrente di carico continuativa massima, la corrente di cortocircuito massima nella posizione del cavo e il tempo di ripristino della protezione. Anche i dettagli dell'installazione sono importanti: lunghezza del percorso, temperatura ambiente, resistività termica del terreno, profondità di interramento e se il cavo corre in un canale, in una passerella portacavi o in un interramento diretto.

Piccoli errori di input creano grandi errori di dimensionamento. Se si presuppone una temperatura del suolo di 20°C ma il sito effettivo funziona a 30°C, un cavo marginale funzionerà al di sopra della temperatura di progetto. Se si dimentica di includere il riscaldamento dell'alimentatore parallelo, lo stesso cavo verrà declassato in un'installazione reale. Il tempo extra impiegato per verificare i dati di input vale sempre la pena.

Per la maggior parte delle applicazioni di distribuzione, la scelta predefinita è un cavo isolato XLPE con conduttori in rame. L'isolamento fornisce elevata resistenza elettrica, basse perdite dielettriche e buone prestazioni termiche. Un riferimento pratico per la distribuzione di media tensione è il Serie di cavi di alimentazione isolati XLPE con potenza nominale da 3,6/6 kV a 26/35 kV .

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Passaggio 2: calcolare l'ampiezza con condizioni reali

La portata è la corrente continua massima che il cavo può trasportare senza superare la temperatura nominale del suo isolamento. Per l'isolamento XLPE, la temperatura massima del conduttore continuo è tipicamente di 90°C, mentre la temperatura di emergenza di cortocircuito può essere di 250°C per i conduttori in rame. La sezione del cavo deve consentire il trasferimento del calore generato internamente verso l'esterno senza surriscaldare l'isolamento.

Inizia da una tabella di portata di base, quindi moltiplicala per i fattori di correzione per temperatura ambiente, resistività termica del suolo, profondità, spaziatura dei cavi e raggruppamento. Una dimensione del conduttore che funziona in un calcolo desktop può surriscaldarsi se installata parallelamente ad altri cavi caricati. La tabella seguente fornisce fattori di declassamento rappresentativi per le comuni installazioni MT:

Dopo aver applicato tutti i fattori di correzione, confrontare la portata corretta con la corrente a pieno carico. Se il valore è compreso tra due dimensioni standard del conduttore, scegliere la dimensione successiva più grande a meno che un controllo successivo non imponga un conduttore ancora più grande.

Passaggio 3: controllare la caduta di tensione sugli alimentatori lunghi

La caduta di tensione diventa il criterio determinante quando la linea MT è lunga diversi chilometri o quando il carico è elevato rispetto all'impedenza del cavo. La caduta di tensione trifase può essere approssimata come Vdrop = sqrt(3) * I * (R * cos(phi) X * sin(phi)) * L, dove R e X sono la resistenza CA effettiva e la reattanza per unità di lunghezza e L è la lunghezza del percorso.

Per i circuiti a media tensione, la caduta di tensione totale dovrebbe generalmente rimanere inferiore al 5% dalla sorgente al carico. Molte strutture applicano un limite più severo del 3% solo per l'alimentatore per lasciare un margine per i trasformatori e i conduttori secondari. Per un alimentatore da 33 kV, 10 km che trasporta 250 A, un cavo in rame da 95 mm² può avere una caduta di tensione vicina al 3,5%, mentre un cavo da 120 mm² la porta al di sotto del 3%. In questi casi il cavo più grande viene selezionato non in base alla portata ma al limite della caduta di tensione.

Su un alimentatore da 33 kV, l'induttanza spesso prevale sulla resistenza, quindi l'aggiunta della sezione trasversale del conduttore fornisce solo un miglioramento limitato. In tal caso, un livello di tensione più elevato o un cavo posato diversamente potrebbero essere più efficaci.

Passaggio 4: confermare la resistenza al cortocircuito

Un cavo in un sistema di media tensione deve sopravvivere alla corrente di cortocircuito nel caso peggiore abbastanza a lungo da consentire al dispositivo di protezione di eliminare il guasto. Durante il guasto la temperatura del conduttore aumenta notevolmente perché il calore non può fuoriuscire rapidamente. Per i cavi isolati XLPE, la temperatura consentita del conduttore di cortocircuito è spesso 250°C per il rame e 200°C per l'alluminio, ma è necessario utilizzare i valori dei dati di test del produttore.

La sezione trasversale minima del conduttore per la tenuta termica può essere stimata come s = I * sqrt(t) / k, dove I è la corrente di guasto efficace, t è il tempo di ripristino in secondi e k è una costante che dipende dal materiale del conduttore e dalle temperature iniziali e finali presunte. Un sistema da 13,8 kV con un guasto da 20 kA risolto in 0,2 s può facilmente richiedere un conduttore più grande rispetto al controllo di amperaggio. Ecco perché il controllo di cortocircuito non è facoltativo.

È inoltre necessario verificare il coordinamento del relè a monte. Se il tempo di disattivazione del relè è superiore al limite termico del cavo, il cavo verrà danneggiato prima dell'apertura dell'interruttore.

Passaggio 5: rispettare i requisiti di declassamento e dimensione minima

Oltre ai calcoli tecnici, i codici e i requisiti meccanici spesso impongono una dimensione minima del conduttore. Molti alimentatori di media tensione utilizzano un conduttore in rame n. 2 AWG come minimo pratico, anche quando il calcolo dell'amperaggio consentirebbe una dimensione inferiore. Capicorda di grandi dimensioni, kit di terminazione e forze di inserimento diventano tutti poco pratici con cavi MT molto sottili.

I fattori di declassamento per cavi raggruppati e installazioni interrate possono ridurre la portata di base del 20% o più. La vera portata è il valore base moltiplicato per tutti i fattori applicabili. Se il valore finale è ancora superiore alla corrente di carico, il cavo è accettabile per il carico continuo. Ma l'ingegnere dovrebbe anche verificare che il cavo possa collegarsi correttamente ai terminali del quadro, del bus o del trasformatore.

Passaggio 6: bilanciare costi, disponibilità e crescita futura

Una volta soddisfatte tutte le verifiche tecniche, resta la questione economica. Un conduttore più grande riduce le perdite I^2*R e lascia spazio per un futuro aumento del carico, ma aumenta i costi iniziali e può complicare l'installazione in condotti stretti. Su un alimentatore lungo, il valore attuale netto del risparmio energetico può giustificare il costo aggiuntivo. Su un alimentatore corto, il cavo più grande potrebbe non essere necessario.

La scelta di una sezione trasversale ampiamente prodotta riduce i tempi di consegna ed evita terminazioni non standard. Le dimensioni comuni della MT nei sistemi metrici includono 70, 95, 120, 150, 185 e 240 mm². Quando si esaminano le opzioni del prodotto, il Gamma di cavi di alimentazione XLPE 6-35 kV fornisce una buona panoramica delle tensioni nominali e dei dettagli costruttivi per i tipici circuiti di distribuzione.

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Unire il processo di dimensionamento

Il dimensionamento dei cavi di media tensione è un processo sistematico: definire i parametri del sistema, controllare la portata, verificare la caduta di tensione, confermare la resistenza al cortocircuito e applicare le regole di declassamento e dimensione minima. Solo dopo aver superato questi controlli è il momento di valutare costi e disponibilità.

Se si sta dimensionando un lungo alimentatore o un sistema di distribuzione industriale ad alto livello di guasto, prestare particolare attenzione ai fattori di declassamento e al calcolo della corrente di guasto. Un cavo che funziona a prima vista potrebbe guastarsi durante un guasto o al termine di una calda giornata estiva. Per ulteriori informazioni sui valori nominali della temperatura di isolamento e su come influiscono sulla portata, il Portata del cavo MV90 vs MV105 e confronto dei costi di isolamento è un utile punto di partenza.