Perché le armoniche influenzano la durata degli accessori per cavi
Le reti elettriche di oggi stanno cambiando più rapidamente che mai. La generazione distribuita e l’accumulo di energia non rappresentano più un’eccezione, ma influenzano sempre di più le reti di media tensione in esercizio. Di conseguenza, cambiano non solo la capacità e il carico, ma anche la qualità della tensione e della corrente. La domanda centrale diventa quindi sempre più rilevante: la vostra infrastruttura esistente opera ancora in modo affidabile in queste nuove condizioni di rete?
La nuova realtà della rete
Per molti anni la rete di media tensione è stata caratterizzata da una tensione relativamente stabile e sinusoidale a 50 Hz. Oggi, invece, lo scenario è profondamente diverso:
- L’energia viene prodotta localmente (solare, eolico)
- La tensione presenta maggiori fluttuazioni
- Gli inverter utilizzano frequenze di commutazione più elevate
Il risultato: le forme d’onda di tensione e corrente non sono più perfettamente sinusoidali, ma vengono distorte dalla presenza di armoniche superiori. Queste armoniche si propagano nella rete e influenzano componenti originariamente progettati per condizioni operative del passato.
Dove nasce il problema: l’isolamento sotto pressione
Nelle analisi dei guasti delle reti di media tensione emerge frequentemente un meccanismo ricorrente: il degrado del mezzo isolante. L’affidabilità degli asset di media tensione è determinata in larga misura dal comportamento del sistema di isolamento. Di conseguenza, la durata dei sistemi in cavo è direttamente collegata alla qualità, al dimensionamento e al reale carico elettrico a cui è sottoposto l’isolamento.
Il problema non è che questi sistemi siano intrinsecamente sottodimensionati. Il problema è che molti progetti, qualifiche e metodi di prova si basano su ipotesi che non corrispondono più completamente alla realtà delle reti moderne. In passato, la distorsione armonica giocava un ruolo trascurabile.
Cosa fanno fisicamente le armoniche
Le armoniche non sono un fenomeno astratto. Hanno un impatto diretto e misurabile sul comportamento elettrico, termico e dielettrico degli accessori per cavi. In linea generale, entrano in gioco tre meccanismi principali:
- Maggiore sollecitazione elettrica dell’isolamento – Le frequenze più elevate influenzano la distribuzione del campo elettrico, soprattutto nelle zone critiche come le interfacce tra materiali isolanti differenti, l’estremità dello schermo semiconduttivo e la zona di controllo del campo.
- Aumento delle perdite dielettriche – La dissipazione di energia nei materiali isolanti aumenta sotto l’influenza di
- frequenza
- tensione
- perdite dielettriche (tan δ).
- Incremento locale della temperatura – L’aumento delle perdite dielettriche genera ulteriore calore, spesso concentrato nelle zone critiche. È proprio la combinazione tra maggiore sollecitazione del campo elettrico e riscaldamento locale ad accelerare l’invecchiamento elettrico e termico.
Non tutti i terminali o i giunti per cavi reagiscono allo stesso modo
Un fattore cruciale è il modo in cui viene controllata la distribuzione del campo elettrico all’interno di un accessorio per cavi. Nella pratica si distinguono generalmente due principi di controllo del campo:
- Controllo geometrico del campo
- La distribuzione del campo è determinata principalmente dalla geometria dell’elemento di controllo del campo (cono rompicanale / stress cone)
- Il comportamento rimane relativamente stabile in presenza di componenti ad alta frequenza
- Sensibilità quasi nulla alle armoniche
- Controllo resistivo del campo
- La distribuzione del campo dipende fortemente dalle proprietà del materiale e dalla conducibilità
- Il comportamento è chiaramente dipendente dalla frequenza
- Maggiore sensibilità alle armoniche
Le differenze non sono soltanto teoriche, ma trovano riscontro nella pratica. Simulazioni e misurazioni mostrano che:
- Il campo elettrico locale può aumentare fino a quattro volte alle frequenze più elevate.
- L’aumento della temperatura può passare da circa 3 K a quasi 20 K senza carico di corrente.
Ulteriori risultati di progetto confermano questo quadro:
- Intensità del campo elettrico locale fino al 250% più elevata nelle soluzioni resistive.
- Differenze di temperatura fino a 50°C tra diverse configurazioni.
In applicazioni reali, ad esempio nei parchi eolici e solari o nelle loro vicinanze, questi effetti possono coincidere con un aumento dei tassi di guasto. La conclusione è chiara: non tutti gli accessori per cavi mostrano un comportamento sufficientemente robusto nelle reti di media tensione soggette a una significativa presenza di armoniche.
Desiderate approfondire l’influenza delle armoniche sugli accessori per cavi, sul controllo del campo e sul comportamento dielettrico?
Cosa significa tutto questo per i gestori di rete?
Per gli asset manager ciò comporta un cambiamento nel modo in cui il comportamento dei componenti deve essere valutato, monitorato e gestito.
L’accelerazione dell’invecchiamento dell’isolamento, una vita residua meno prevedibile e la comparsa di guasti in sezioni critiche della rete fanno sì che il comportamento dei componenti si discosti sempre più dai tradizionali modelli di progettazione e durata.
La pressione sulle decisioni di manutenzione e investimento aumenta, poiché i momenti di sostituzione diventano meno prevedibili e sia il monitoraggio delle condizioni sia la valutazione del rischio risultano più complessi. Questo non richiede semplicemente un approccio basato sul “fare di più dello stesso”, ma l’adozione di nuovi criteri.
Il punto cieco delle prove e delle normative
Un’importante sfida riguarda il modo in cui i sistemi in cavo e gli accessori vengono qualificati. La maggior parte delle norme, delle prove di tipo e dei test di qualificazione si basa su:
- Frequenza fissa
- Tensione sinusoidale
- Fattori di stress considerati separatamente
La pratica dimostra invece che:
- Le frequenze variano
- Più componenti armoniche vengono combinate
- Gli stress termici ed elettrici si influenzano reciprocamente
La realtà delle reti si evolve più rapidamente degli attuali metodi di prova e dei quadri di qualificazione esistenti.
Guardare avanti: cosa richiede questo alla progettazione e alla gestione
La tendenza è evidente: le armoniche non possono essere ignorate. Al contrario, il continuo sviluppo dell’elettronica di potenza, dei convertitori di frequenza, dei sistemi di accumulo a batteria e della conversione AC/DC aumenterà ulteriormente il loro impatto sulle reti di media tensione.
Ciò significa che le decisioni di progettazione e gestione devono tenere conto di:
- Comportamento dei materiali dipendente dalla frequenza
- Sollecitazioni termiche ed elettriche combinate
- Effetti specifici legati alla posizione all’interno della rete
Non come scenario teorico, ma come realtà operativa quotidiana.
Dalla comprensione alle soluzioni robuste
La transizione energetica non cambia soltanto il modo in cui l’energia viene prodotta, ma anche il modo in cui la rete viene sollecitata elettricamente. I giunti per cavi svolgono un ruolo silenzioso ma determinante in questo sviluppo. Proprio perché spesso restano fuori dalla vista, il loro comportamento in condizioni di rete in evoluzione viene facilmente sottovalutato.
Chi oggi progetta o gestisce reti deve considerare come queste si comporteranno elettricamente domani. Una rete con un livello crescente di armoniche richiede accessori per cavi in grado di mantenere prestazioni prevedibili anche al di fuori delle condizioni tradizionali di progettazione e prova.
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