Cavi elettrici: dinamiche del mercato e della tecnologia

La pressione sui prezzi, la necessaria riduzione dei costi e le nuove normative stanno portando a diversi prodotti e metodi di fabbricazione dei cavi di alimentazione. Questo documento fornisce una panoramica delle norme in un mercato globale competitivo e moderni metodi di produzione per conduttori aerei scoperti, cavi sotterranei EHV (EXTRA HIGH VOLTAGE) e HV (HIGH VOLTAGE) e cavi sottomarini. Per tenere il passo con gli attuali standard e con le future tendenze, le attrezzature per la produzione dei cavi devono essere innovative, efficienti, affidabili e flessibili per resistere alla pressione dei costi e soddisfare elevati requisiti tecnici e ambientali.

com-tecnichenuove-tecnologiadelfilo-tf-2015-001-946Dinamica nel mercato
La prima parte di questo documento tratta lo sviluppo del mercato nel settore della produzione di cavi per alta tensione (High Voltage – HV) e altissima tensione (Extra High Voltage – EHV). Esso fornisce una panoramica sugli sviluppi e sulle aspettative.

Di particolare interesse è lo sviluppo nel campo dei cavi sottomarini e dei cavi sotterranei. Lo sviluppo tecnologico nel settore delle linee aeree è considerato separatamente.

Prima di dare uno sguardo più dettagliato alle evoluzioni del mercato, le aree di alta e ad altissima tensione dovrebbero essere definite come segue: il termine HV comprende prodotti della gamma di tensione tra 60kV e 230KV; con EHV la gamma di tensione superiore ai 230KV. Una ragione di questa suddivisione è che ci sono ancora relativamente pochi produttori di cavi EHV; un altro motivo è la disponibilità irregolare di dati affidabili in quel settore.

Guardando indietro allo sviluppo degli ultimi due anni, il mercato dei cavi HV e EHV è cresciuto ad un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 11% all’anno in termini di lunghezza. Nel corso degli ultimi 5 anni, la produzione di cavi ad altissima tensione stava crescendo al 21,2%, la produzione di cavi HV al 10,5%. La domanda di cavi sottomarini (HV e EHV) si è quasi raddoppiata, da 1.667 km a 3.200 km, tra gli anni 2009 e 2011. I cavi HV ed EHV contano solo per il 5% del mercato totale del cavo di alimentazione in termini di lunghezza, ma nel 2011 la quota di mercato rappresentava il 10% del valore totale, ovvero 5,4 miliardi di dollari.

Espansione della rete e interramento
E’ molto interessante vedere che anche la domanda di cavi sotterranei e sottomarini nei due settori di alimentazione HV e EHV è in continua crescita. La crescita del settore delle energie rinnovabili ha grande influenza su questo sviluppo.

Negli ultimi due anni, i progetti eolici si sono concentrati nelle Americhe e in Europa occidentale ed erano tutti di dimensioni significative. Più della metà dei progetti sono stati guidati da un aumento della capacità di energia rinnovabile di società di servizi nazionali collegate a parchi eolici offshore.

Figura 1. Nuovi tipi di conduttori aerei.

Figura 1. Nuovi tipi di conduttori aerei.

La crescita delle città e delle regioni metropolitane sono un altro motivo per un bisogno crescente di reti elettriche. Allo stesso tempo, lo spazio per i conduttori aerei è diminuito e questo è uno dei principali fattori che porta all’interramento.

Un’altra ragione è che le linee interrate sono meglio protette contro le condizioni metereologiche avverse e altri fenomeni che possono danneggiare le linee aeree. A causa della migliore protezione, la sicurezza degli approvvigionamenti energetici è aumentata permettendo la realizzazione di sezioni trasversali più grandi che garantiscono anche una capacità superiore. Naturalmente, la trasmissione di potenza sotterranea non è visibile e questo è un fattore estetico molto importante per la moderna urbanistica.

Il più grande mercato dei cavi sotterranei è ancora la Cina, a causa del suo grande consumo di cavi da 110kV. Gli altri due mercati principali sono l’Europa occidentale e il Consiglio di cooperazione del Golfo Persico (GCC). Queste tre regioni hanno rappresentato il 70% del consumo totale in lunghezza di tutti i cavi HV ed EHV.

L’Europa occidentale e il CCG sono ancora il principale mercato per i cavi ad altissima tensione. Nel 2011, questi due mercati hanno condiviso il 46% del consumo totale in lunghezza. Il mercato dell’Europa Occidentale è di gran lunga il più grande mercato per i cavi sottomarini (87%). La prospettiva di crescita è buona, con numerose potenzialità di incremento e a livello globale si prevedono i seguenti tassi di crescita. Il mercato in cavo interrato ad alta tensione crescerà del 62% tra il 2011 e il 2017 per raggiungere circa 54600 chilometri (Europa: ~ 14,1 mila chilometri). Il mercato dei cavi EHV è destinato a crescere del 70% nello stesso periodo per raggiungere 3.400 km nel 2017 (Europa: ~ 1500 km), ovviamente per effetto delle necessarie interconnessioni di rete e del fatto che i nuovi parchi eolici offshore devono essere collegati.

Moderni metodi di produzione per conduttori aerei
Oltre al sempre più ovvio sviluppo di impianti sotterranei, vi sono evidenti cambiamenti nel campo delle linee elettriche aeree.

Il modo più economico per trasportare energia elettrica su lunghe distanze rimangono ancora le linee elettriche aeree. Ma per affrontare la crescente concorrenza in tale mercato e per rimanere al passo con le mutate esigenze del settore, stanno diventando sempre più importanti e stanno prendendo piede nuovi e più moderni metodi di progettazione e di produzione.

Se una linea di trasmissione di potenza ha raggiunto il limite della sua capacità ci sono fondamentalmente due scelte. Prima: costruire una linea di trasmissione completamente nuova e più grande con nuove torri, che è costoso e richiede tempo a causa di una pianificazione estesa, e delle procedure di approvazione; seconda: effettuare un aggiornamento delle linee esistenti utilizzando le stesse torri e facendo il cosiddetto ‘re-conductering’, ovvero sostituendo i cavi.

I tradizionali conduttori ACSR o AAAC hanno dei limiti ben definiti. La nuova generazione di conduttori aerei, i cosiddetti conduttori HTLS = High Temperature Low Sag stanno offrendo una soluzione. Questi conduttori migliorati possono funzionare in continuo a temperature fino a 250 °C senza perdita di resistenza. Il loro avvallamento è inferiore rispetto a quello dei conduttori convenzionali e gli avvallamenti finali non sono soggetti a effetti dicreep a lungo termine.

Figura 2. Confronto tra conduttori ACSR e HTLS.

Figura 2. Confronto tra conduttori ACSR e HTLS.

Inoltre, i nuovi conduttori possono essere progettati sia a parità di sezione che di diametro rispetto a quelli tradizionali. La tabella in figura 2 mostra un confronto tra un conduttore ACSR standard con una sezione di 400 mm², tipo Drake, un conduttore ACSS/TW di pari sezione e un conduttore ACCC con sezione simile. Il conduttore ACSS/ TW è un conduttore a forma di filo, compattato, concentrico, in alluminio con supporto in acciaio. Questo conduttore combina il concetto di fili in alluminio completamente ricotti a forma trapezoidale e un nucleo di acciaio rivestito. I vantaggi prestazionali sono la temperatura di funzionamento più alta, quasi il doppio del carico di corrente, e una resistenza alla rottura simile ai prodotti più tradizionali.

La sostituzione dei fili rotondi con fili di forma trapezoidale da luogo ad un conduttore più compatto di pari area ma avente un diametro minore. Un conduttore con diametro inferiore risente meno dei carichi dovuti al vento e al ghiaccio; inoltre, il conduttore ha un coefficiente di resistenza aerodinamica inferiore e maggiore resistenza alle vibrazioni.Il cavo ACCC con fili trapezoidali ha un design ancora più moderno.

Figura 3. Nucleo di un conduttore ACCC

Figura 3. Nucleo di un
conduttore ACCC

La resistenza meccanica è garantita da un tubo in fibra di vetro riempito di filamenti in fibra di carbonio. La temperatura massima di funzionamento è di 200 °C, la capacità di trasporto di corrente pari a 1610 A è la  edesima dei cavi ACCS/TW. Grazie al nucleo composito il peso può essere ridotto a 1240 kg per chilometro e la resistenza alla trazione è migliorata, il che significa un avvallamento estremamente basso. Il nucleo composito fornisce migliore resistenza alla corrosione e stabilità termica.

I fili di alluminio delle due moderne configurazioni trapezoidali hanno una conduttività maggiorata del 63% (International Annealed Copper Standard – IACS). Queste nuove tipologie di conduttori aerei possono essere utilizzati anche per lunghezze significative in una linea di trasmissione di potenza, ad esempio per tratti che si estendono su un’ampia autostrada o su un fiume.

Il nucleo dei conduttori ACCC

Figura 4. Profilo di avvallamento di diversi conduttori.

Figura 4. Profilo di avvallamento
di diversi conduttori.

Il nucleo CTC è un tubo in fibra di vetro riempito con filamenti in fibra di carbonio. La fibra di vetro forma una barriera alla corrosione elettrica e chimica tra il carbonio e i circostanti conduttori in alluminio. Il nucleo è coperto con strati di filo trapezoidale in alluminio ricotto. Il grafico in figura 4 mostra il bassissimo avvallamento di un conduttore ACCC/TW Drake rispetto al tradizionale cavo consupporto o rinforzo in acciaio. I moderni conduttori aerei devono soddisfare numerosi requisiti di primaria importanza; adeguati metodi di fabbricazione e le relative linee di produzione contribuiscono a conseguire i seguenti obiettivi:
 Lavorazione di materiali speciali per realizzare
– Alta resistenza alla trazione a basso avvallamento
– Peso minimo nel caso di ampie campate
– Elevata capacità di aumentare la potenza di carico
 Creazione di forme speciali al fine di realizzare
– Maggiore resistenza contro la forza del vento
– Maggiore durata
– Maggiore affidabilità
 Elevata flessibilità della linea di produzione/macchina per
– Rispondere in modo flessibile alle mutevoli richieste e esigenze del mercato
 Costi di produzione efficienti attraverso
– Elevato grado di automazione
– Alto tasso di produzione

Figura 5. Esempio di conduttori Aero-Z® a 2 strati.

Figura 5. Esempio di conduttori Aero-Z® a 2 strati.

Tenendo conto degli argomenti appena menzionati, la geometria dei moderni conduttori aerei è cambiata da una configurazione a filo tondo ad una configurazione con elementi esterni trapezoidali e infine ad una configurazione con elementi a forma di Z. I profili Aero-z ® sono utilizzati in quasi tutte le configurazioni di conduttori aerei (per esempio ACSR-Z, AACSR-Z, ACAR-Z, AAAC-Z, ACSS-Z, ACCC-Z).

Figura 6. Esempi di trefolo in rame 90mm², trefolo in alluminio 120mm².

Figura 6. Esempi di trefolo in rame 90mm², trefolo in alluminio 120mm².

I profili a forma di Z garantiscono al conduttore una struttura stretta e compatta. Come per i profili trapezoidali, i profili a Z sono utilizzati nella parte esterna del conduttore e formano un anello chiuso per la trasmissione di potenza. Poiché i profili a Z sono nettamente intrecciati tra loro, aumentano anche la stabilità del conduttore. Questi conduttori sono in grado di sopportare carichi dovuti al vento superiori rispetto agli altri conduttori e, in combinazione con materiali ad alta resistenza alla trazione del posti nel nucleo del conduttore, possono essere realizzate anche campate più estese.

Produzione innovativa e flessibile per affrontare la crescente concorrenza
La domanda sul mercato dei cavi HV è destinata a crescere, ma con essa è attesa anche una crescita della concorrenza in questo settore. Per affrontare la crescente concorrenza e la pressione sui prezzi, è assolutamente necessario essere il più possibile innovativi e flessibili.

Ci sono numerosi e diversi modi per raggiungere una posizione buona e stabile sul marcato. Ma l’obiettivo principale è sempre quello di produrre in modo più veloce, flessibile e economico, naturalmente senza alcuna perdita in termini di qualità, ma piuttosto con un suo miglioramento. Dal momento che sono necessarie numerose fasi di produzione per realizzare un cavo HV, ogni singolo passo deve essere esaminato nel dettaglio, al fine di identificare tutti i potenziali punti di ottimizzazione.

Figura 7. Niehoff D1251.

Figura 7. Niehoff
D1251.

Un’idea innovativa potrebbe essere quella di trovare un modo per aumentare la velocità di produzione di una di queste fasi. Inoltre, questo nuovo e rivisitato processo dovrebbe essere il più flessibile possibile.

Ad esempio si potrebbe pensare alla possibilità di intrecciare o preintrecciare una vasta gamma di prodotti differenti, come rame nudo, alluminio nudo o conduttori isolati con una sola macchina. La macchina dovrebbe essere due volte più veloce di una convenzionale, al fine di risparmiare tempo e denaro. Questa idea è stata resa possibile grazie ad una nuova macchina (D1251) realizzata da Niehoff, la cui gamma di produzione può coprire una sezione fino a 95 mm² per il rame o fino a 120 mm² per l’alluminio.

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1 commento a questo articoloInvia il tuo
  1. Vorrei sapere di più sui cavi ABC.
    Grazie

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