Corrente alternata o corrente continua: come il tipo di corrente influenza la progettazione dei cavi

L'elettricità si propaga principalmente in due forme:Corrente alternata (CA)ECorrente continua (CC)La corrente alternata (AC) inverte costantemente la sua direzione (50 o 60 volte al secondo), mentre la corrente continua (DC) scorre in modo costante in un'unica direzione. Si potrebbe pensare che un cavo sia semplicemente un cavo, ma il tipo di corrente influenza in modo determinante la sua progettazione. Dal conduttore stesso all'isolamento e alla schermatura, gli ingegneri compiono scelte molto diverse per i sistemi in corrente alternata e in corrente continua. Questo articolo spiega il perché.

1. La differenza fondamentale: costante vs. pulsante

In un cavo CC, gli elettroni si muovono a una velocità costante e unidirezionale. La densità di corrente è uniforme lungo la sezione trasversale del conduttore. In un cavo CA, gli elettroni oscillano avanti e indietro. Questo campo magnetico variabile creaeffetto pelleEeffetto di prossimità– fenomeni che non esistono a Washington.

Questi effetti costringono la corrente alternata a fluire principalmente vicino alla superficie del conduttore, anziché attraverso l'intera sua sezione trasversale. Ciò modifica radicalmente il modo in cui il conduttore deve essere costruito.

2. Effetto pelle: perché i cavi di alimentazione CA necessitano di fili più sottili

Effetto sulla pelleSi tratta della tendenza della corrente alternata ad alta frequenza ad accumularsi verso la superficie esterna di un conduttore. A 50/60 Hz, l'effetto è modesto ma non trascurabile, soprattutto per conduttori di grandi dimensioni.

Per la corrente continua (CC), è possibile utilizzare una barra di rame solida e spessa. Per la corrente alternata (CA), una barra solida sprecherebbe materiale interno (trasportando poca corrente). Invece, i cavi CA utilizzanoconduttori bloccati– molti fili sottili, isolati individualmente. Ciò aumenta la superficie e riduce le perdite per effetto pelle. I cavi CA molto grandi possono utilizzareCostruzione Milliken(fili isolati e trasposti) per attenuare ulteriormente l'effetto pelle.

I cavi in ​​corrente continua, al contrario, possono tranquillamente utilizzare conduttori solidi o a trefoli grossi senza alcuna penalità.

3. Effetto di prossimità: quando i cavi si affollano

Quando i cavi CA corrono vicini, i campi magnetici dei conduttori adiacenti spingono la corrente verso il lato opposto di ciascun conduttore: un effetto chiamatoeffetto di prossimitàCiò aumenta la resistenza e il riscaldamento, soprattutto nei cavi molto compatti.

Nei sistemi a corrente continua, l'effetto di prossimità non esiste perché il campo magnetico è costante.

Per contrastare l'effetto prossimità, i progettisti di cavi CA:

• Mantenere una distanza adeguata tra i cavi.

• Utilizzare la trasposizione di fase nei sistemi trifase.

• Scegliere schemi di intreccio dei conduttori che riducano al minimo l'induttanza mutua.

Per le barre collettrici in corrente alternata ad alta corrente, queste sono spesso cave o suddivise in più sottili lamine, una soluzione mai necessaria per la corrente continua.

4. Sollecitazioni di isolamento: corrente continua vs. corrente alternata

L'isolamento deve resistere alla tensione senza guastarsi. Tuttavia, la corrente alternata e la corrente continua sollecitano l'isolamento in modo diverso.

• ACLa tensione oscilla tra picchi positivi e negativi. L'isolamento viene sollecitato in entrambe le direzioni. Si verificano perdite dielettriche (riscaldamento dell'isolamento), soprattutto alle alte frequenze o con materiali polari (ad esempio, carta, alcuni polimeri).

• DCLa tensione è stabile. Non si verificano perdite dielettriche dovute all'inversione di polarità. Tuttavia, nel tempo possono accumularsi cariche spaziali all'interno dell'isolamento, causando potenzialmente un'intensificazione del campo locale.

Percorrente continua ad alta tensione (HVDC)cavi, l'isolamento è spesso fatto dipolietilene reticolato (XLPE)Ocarta impregnata in massa– materiali scelti per il basso accumulo di carica spaziale e l'elevata rigidità dielettrica in corrente continua. I cavi in ​​corrente alternata utilizzano materiali simili, ma devono anche considerare la tangente di perdita (tan δ), che è irrilevante per la corrente continua.

È interessante notare che un cavo progettato per la corrente alternata (AC) può avere una tensione nominale in corrente continua (CC) più elevata (in genere da 1,5 a 2 volte la tensione nominale RMS in CA) perché la tensione di picco in CA include già un margine di sicurezza. Tuttavia, questa non è una regola semplice; l'isolamento deve essere qualificato per lo specifico stress in CC.

5. Campi magnetici e schermatura

I cavi CA generano un campo magnetico variabile nel tempo. Questo campo può:

• Indurre correnti nelle parti metalliche circostanti (riscaldamento, perdite).

• Interferenze con i cavi di segnale adiacenti (interferenze elettromagnetiche - EMI).

Per controllare questo, i cavi CA spesso richiedonoscreening(ad esempio, nastro di rame o treccia di filo) per contenere il campo. I cavi CA trifase sono spesso armati connon magneticomateriali (alluminio) per evitare il riscaldamento per correnti parassite.

I cavi CC producono unstaticocampo magnetico. Non induce correnti in oggetti stazionari e causa poche interferenze. Pertanto, i cavi in ​​corrente continua generalmente non necessitano di schermatura magnetica. Tuttavia, possono influenzare bussole magnetiche o strumenti sensibili se posizionati nelle immediate vicinanze.

6. Armature e foderi metallici

Per i cavi in ​​corrente alternata, le armature o le guaine metalliche devono essere trattate con cura:

• Armatura in filo d'acciaio (SWA)va bene per AC a singolo nucleo solo se l'armatura ènon magnetico(alluminio) oppure il cavo è trifase, quindi i campi magnetici si annullano. Con la corrente alternata monofase, l'armatura in acciaio si surriscalderebbe a causa delle correnti parassite.

• Armatura in filo di alluminio (AWA)è preferibile per la corrente alternata monofase.

Per i cavi in ​​corrente continua, l'armatura in acciaio funziona perfettamente: niente correnti parassite, niente riscaldamento. Questo semplifica e riduce i costi dei cavi in ​​corrente continua per applicazioni ferroviarie, impianti solari o HVDC.

7. Perdite ed efficienza

Per le trasmissioni a lunga distanza, la corrente continua (CC) presenta perdite inferiori perché non vi sono effetti pelle o di prossimità e non vi è flusso di potenza reattiva. Per questo motivo la corrente continua ad alta tensione (HVDC) è preferita per i cavi sottomarini e le linee aeree molto lunghe, nonostante il costo più elevato delle stazioni di conversione.

8. Esempi pratici

Esempio 1: Impianto elettrico domestico (230 V CA)
I cavi sono a trefoli per ridurre l'effetto pelle. Non sono armati (l'acciaio andrebbe bene perché i circuiti trifase annullano i campi, ma i circuiti monofase causano comunque un certo riscaldamento). L'isolamento è in PVC o XLPE, adatto per tensione CA.

Esempio 2: Cavi di stringa CC per impianto solare (1500 V CC)
I cavi utilizzano una struttura a trefoli sottili (per garantire flessibilità, non effetto pelle). Non è necessaria alcuna schermatura. L'armatura in filo d'acciaio può essere utilizzata per l'interramento senza problemi di surriscaldamento. L'isolamento è in XLPE con classificazione per corrente continua.

Esempio 3: Trazione ferroviaria in corrente continua (750 V / 1500 V CC)
I cavi spesso utilizzano un'armatura in acciaio per la protezione meccanica. I conduttori possono essere solidi o a trefoli grossi. Non è necessaria alcuna schermatura magnetica.

9. L'ascesa dell'HVDC e le sue implicazioni per la progettazione dei cavi

La trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) è in rapida crescita (eolico offshore, interconnessioni). Questi cavi devono essere in grado di gestire tensioni molto elevate (fino a 600 kV). Le caratteristiche progettuali specifiche includono:

• Carta impregnata in massa o isolamento in XLPEOttimizzato per il controllo delle sollecitazioni in corrente continua e della carica spaziale.

• Controllori di ritorno(ritorno metallico o ritorno di terra) – spesso integrato.

• Conduttori segmentatiper ridurre le forze di flessione durante la posa.

• Doppia armaturaper la protezione in acque profonde.

Molti di questi modelli differiscono notevolmente dai cavi CA della stessa classe di tensione.

Sia la corrente alternata (AC) che quella continua (DC) possono fluire attraverso il rame, ma il cavo che lo avvolge deve essere progettato in modo molto diverso. La corrente alternata obbliga i progettisti a contrastare gli effetti pelle e di prossimità, a gestire i campi magnetici e a selezionare attentamente i materiali dell'armatura. La corrente continua li libera da questi oneri, ma introduce problemi di carica spaziale nell'isolamento.

Comprendere la differenza aiuta gli ingegneri a scegliere il cavo giusto per ogni lavoro e aiuta tutti noi a capire perché un cavo per un parco eolico ha un aspetto diverso da un cavo ferroviario, anche se entrambi trasportano "elettricità". La prossima volta che vedrete un grosso cavo di alimentazione CA a trefoli o un cavo CC solido con armatura in acciaio, lo saprete: il tipo di corrente ha plasmato ogni strato al suo interno.

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