Cosa succede all'interno di un giunto di un cavo durante un fulmine?

Un fulmine è una delle forze più potenti e imprevedibili della natura. Una singola scarica può trasportare fino a 200.000 ampere di corrente, con temperature che raggiungono i 30.000 °C, cinque volte superiori alla temperatura della superficie del sole. Quando un fulmine colpisce una linea elettrica o le sue vicinanze, l'energia si propaga lungo i conduttori e il sistema di cavi, comprese le giunzioni e le terminazioni, deve resistere a questa immensa scarica senza cedere. Ma cosa accade effettivamente all'interno di una giunzione di un cavo durante un fulmine? Questo articolo esplora la fisica, i rischi e l'ingegneria che proteggono queste connessioni critiche.

1. Fulmini: una breve introduzione alla minaccia

Il fulmine è una scarica elettrostatica di enorme intensità che si verifica tra le nuvole o tra una nuvola e il suolo. Quando colpisce una linea elettrica o il terreno nelle sue vicinanze, induce una sovratensione, ovvero un transitorio improvviso di altissima tensione e corrente, che si propaga lungo il conduttore a una velocità prossima a quella della luce.

Caratteristiche principali di una sovratensione da fulmine:

• Tensione: fino a diversi milioni di volt (tipicamente 1–10 MV per la corsa principale).

• Corrente: da 10.000 a 200.000 ampere (tipica: 30.000 A).

• Durata: Molto breve: da pochi microsecondi a poche centinaia di microsecondi.

• Tempo di salita: estremamente rapido: la corrente raggiunge il suo picco in 1-10 microsecondi.

Questa sovratensione si propaga lungo la linea elettrica, entrando nelle sottostazioni, nei trasformatori e nei sistemi di cavi. Non fa distinzioni; seguirà qualsiasi percorso conduttivo che riesca a trovare, incluso il conduttore di un cavo.

2. Il percorso della sovratensione: come un fulmine penetra in un sistema di cavi

Una sovratensione dovuta a un fulmine può penetrare in un sistema di cavi in ​​diversi modi:

A. Colpo diretto alla linea aerea
Se una linea aerea viene colpita direttamente, l'intera corrente del fulmine si propaga lungo il conduttore fino a raggiungere un terminale o una giunzione, dove può proseguire nel cavo sotterraneo.

B. Sovratensione indotta su una linea aerea
Anche se la linea non viene colpita direttamente, un fulmine caduto nelle vicinanze induce una sovratensione ad alta tensione sulla linea per induzione elettromagnetica.

C. Aumento del potenziale di terra (tensione a gradino)
Un fulmine che colpisce il terreno in prossimità di una sottostazione o di una terminazione di cavo può innalzare il potenziale di terra, creando una scarica inversa, ovvero una sovratensione che si propaga dal terreno alle apparecchiature.

D. Attraverso trasformatore o quadro elettrico
I parafulmini delle sottostazioni deviano la maggior parte della sovratensione, ma una parte dell'energia può comunque raggiungere i cavi.

Una volta che la sovratensione entra nel cavo, si propaga fino al giunto, ed è lì che inizia la vera azione.

3. Cosa sperimenta l'articolazione: tensione, corrente e stress

Quando una sovratensione dovuta a un fulmine raggiunge un giunto di un cavo, il giunto è soggetto a tre sollecitazioni simultanee:

A. Alta tensione (sovratensione)
La sovratensione può essere diverse volte superiore alla normale tensione di esercizio del cavo. Per un cavo da 66 kV, è possibile una sovratensione di 350 kV o superiore. Questa tensione estrema crea un intenso campo elettrico all'interno del giunto, ben oltre le normali sollecitazioni di esercizio.

B. Corrente elevata (corrente di picco)
La corrente di picco riscalda il conduttore e il connettore. In una frazione di millisecondo, la temperatura del conduttore può aumentare in modo significativo (ma breve) a causa dell'enorme corrente.

C. Elevato tasso di variazione (di/dt)
Il rapido aumento della corrente crea un forte campo elettromagnetico, che può indurre tensioni nei componenti adiacenti e generare forze meccaniche.

L'isolamento, il connettore e la guarnizione del giunto devono resistere a questo attacco combinato.

4. La vulnerabilità dei giunti dei cavi

I giunti dei cavi sono più vulnerabili ai fulmini rispetto al cavo stesso perché:

• Sono presenti delle interfacce: la transizione tra materiali diversi (isolante, controllo delle sollecitazioni, connettore) crea punti in cui il campo elettrico può concentrarsi.

• Vengono assemblati in loco: la qualità dell'installazione può variare, introducendo vuoti, contaminazioni o contatti imperfetti.

• Contengono molteplici componenti: ciascun componente (cono di stress, connettore, corpo isolante) ha una propria risposta alla tensione e alla corrente.

In caso di sovratensione dovuta a un fulmine, il punto più debole della giunzione cederà per primo.

5. I primi microsecondi: distorsione del campo e scarica parziale

Quando la sovratensione entra nella giunzione, il campo elettrico si distorce temporaneamente. La sollecitazione nel punto di taglio della schermatura, già il più sollecitato, si concentra ulteriormente. La tensione può superare la tensione di innesco delle scariche parziali (PDIV) e iniziano a verificarsi piccole scintille, ovvero scariche parziali.

Cosa succede durante il Parkinson:

• Ogni scarica rilascia una piccola quantità di energia (calore, raggi UV, ozono).

• La superficie isolante potrebbe iniziare a formare delle tracce, ovvero un percorso carbonizzato.

• La scarica può propagarsi, creando una struttura ad albero nell'isolamento.

In una giunzione ben progettata, il sistema di controllo delle sollecitazioni (cono, Hi-K o NLR) limita questa distorsione del campo, prevenendo le scariche parziali anche in condizioni di sovratensione. Se il controllo delle sollecitazioni è inadeguato o posizionato in modo errato, le scariche parziali possono rapidamente degenerare in un flashover.

6. Flashover: Il percorso ad arco

Se la distorsione del campo è sufficientemente grave, la scarica può trasformarsi in un flashover, ovvero un arco elettrico che salta dal conduttore allo schermo o da una fase all'altra. Un flashover è una completa rottura dell'isolamento.

Tipi di flashover in un'articolazione:

• Scarica interna – L'arco si verifica all'interno della giunzione, bruciando l'isolamento.

• Scarica esterna – L'arco si verifica lungo la superficie della giunzione o all'interfaccia.

• Tra le fasi – In un giunto trifase, l'arco può saltare da un conduttore all'altro.

Una scarica superficiale rilascia una grande quantità di energia in una frazione di secondo. L'onda di pressione risultante può rompere l'involucro del giunto e l'arco può vaporizzare il conduttore o il connettore. Il giunto viene distrutto.

7. Effetti termici: il calore dell'ondata

Anche in assenza di scarica superficiale, la corrente di picco riscalda il conduttore e il connettore. L'aumento di temperatura può essere calcolato utilizzando la formula del riscaldamento adiabatico (supponendo che non vi siano perdite di calore durante il breve picco). Per una breve durata (ad esempio, 20 microsecondi), la temperatura del conduttore può aumentare di diverse decine di gradi Celsius.

Il surriscaldamento del connettore è più significativo perché il connettore ha una resistenza maggiore rispetto al conduttore (a causa del suo materiale e della sua geometria). Se il connettore non è crimpato correttamente, può presentare una resistenza più elevata, creando un punto caldo che può fondere o indebolire la connessione.

Espansione termica – Il rapido riscaldamento provoca l'espansione del conduttore e del connettore. Ciò può sollecitare meccanicamente il connettore e i componenti circostanti, potenzialmente spostando il cono di stress o danneggiando la tenuta.

8. Effetti meccanici: la forza esplosiva

Il rapido riscaldamento del conduttore e l'arco elettrico, se si verifica, creano un'onda di pressione all'interno del giunto. L'involucro del giunto deve resistere a questa pressione senza rompersi. La maggior parte dei giunti moderni ha un involucro a prova di scoppio (ad esempio, realizzato in poliestere rinforzato con fibra di vetro) in grado di contenere la pressione di una scarica superficiale.

Forze meccaniche – L'elevata corrente crea anche forti forze elettromagnetiche che tendono a spingere i conduttori l'uno contro l'altro. Ciò può sollecitare eccessivamente il connettore e il cavo.

9. Il ruolo dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni

Per proteggere i giunti dei cavi dai fulmini, nei punti chiave della rete vengono installati scaricatori di sovratensione (detti anche scaricatori di sovratensione):

• All'ingresso della sottostazione, per deviare la sovratensione verso terra.

• Nei punti di terminazione montati su palo, dove il cavo si collega a una linea aerea.

• In corrispondenza delle giunzioni in luoghi esposti (ad esempio, nei parchi eolici o lungo le linee di trasmissione).

Un limitatore di sovratensione è una resistenza non lineare che presenta un'elevata resistenza alla tensione normale, ma diventa conduttiva ad alta tensione, deviando la corrente di sovratensione verso terra. Limitando la tensione che raggiunge il punto di giunzione, i limitatori di sovratensione riducono il rischio di scariche elettriche e danni.

10. Progettare giunti resistenti ai fulmini

Gli ingegneri progettano i giunti dei cavi in ​​modo che resistano ai fulmini utilizzando diverse strategie:

A. Controllo robusto dello stress
Il sistema di controllo delle sollecitazioni (cono, Hi-K, NLR) è progettato per resistere alle sovratensioni senza innescare scariche parziali. Ciò viene verificato durante le prove di tipo con tensioni impulsive.

B. Elevata rigidità dielettrica
I materiali isolanti (silicone, EPDM, XLPE) vengono selezionati per la loro capacità di resistere a picchi di alta tensione.

C. Robustezza meccanica
Il connettore e l'involucro sono progettati per resistere alle forze termiche e meccaniche di una sovratensione.

D. Sigillatura e protezione dall'acqua
La sigillatura impedisce l'ingresso di umidità, che potrebbe ridurre la rigidità dielettrica dell'isolamento e aumentare il rischio di scariche elettriche.

E. Test di tipo con impulso
Nell'ambito delle prove di tipo, i giunti dei cavi sono sottoposti a test di resistenza agli impulsi di fulmine. Il giunto viene sottoposto a una forma d'onda di tensione che simula una scarica di fulmine (tipicamente un impulso di 1,2/50 µs) a un livello specificato dalla norma di riferimento (ad esempio, IEC 60840, IEC 62067). Un giunto che supera questo test dimostra la sua capacità di resistere ai fulmini.

11. Il mondo reale: uno scenario da fulmine

Immaginate un cavo sotterraneo da 66 kV che va da una sottostazione a un parco eolico. Un fulmine colpisce un palo vicino e una sovratensione si propaga lungo la linea aerea fino al cavo. La sovratensione arriva al primo giunto (a 100 m dal palo).

• 0–2 µs: La tensione nel punto di taglio dello schermo aumenta rapidamente. Il cono di stress svolge la sua funzione, diffondendo il campo.

• 2–10 µs: La tensione raggiunge un picco di 350 kV. Il cono di sollecitazione e il corpo isolante resistono alla sollecitazione: non si verifica alcuna scarica superficiale.

• 10–50 µs: La corrente di picco attraversa il connettore, riscaldandolo leggermente. Il connettore si espande, ma il sistema a molla o la pressione dell'elastomero mantengono il contatto.

• 50–200 µs: L'onda d'urto si attenua. Il giunto torna al normale funzionamento.

Se il cono di stress fosse posizionato in modo errato o se ci fosse un vuoto nell'isolamento, si verificherebbe una scarica superficiale, distruggendo il giunto e causando un'interruzione di corrente.

Un giunto di un cavo durante un fulmine è come una fortezza sotto assedio. Deve resistere a una sovratensione di un milione di volt, a una corrente di centomila ampere e all'intenso calore e alle forze meccaniche che ne derivano. Il sistema di controllo delle sollecitazioni del giunto, l'isolamento, il connettore e la guaina lavorano insieme per sopravvivere a questo assalto.

Grazie a una progettazione accurata, materiali robusti e test rigorosi, i giunti dei cavi sono progettati per resistere ai fulmini, garantendo l'affidabilità della rete elettrica anche di fronte alla forza più potente della natura. La prossima volta che infuria un temporale e la luce rimane accesa, ricordate: da qualche parte nella rete, un giunto del cavo ha appena resistito a un fulmine, svolgendo il suo compito senza emettere alcun suono.