Giunti per cavi soggetti a elevati cicli termici | Affidabilità delle reti di media tensione

Le moderne reti elettriche stanno diventando sempre più dinamiche. L’integrazione delle energie rinnovabili e i profili di carico variabili introducono nuovi fattori di stress operativo per i sistemi di cavi a media tensione.
Uno dei più critici è rappresentato dagli elevati cicli termici: il ripetuto riscaldamento e raffreddamento dell’infrastruttura dei cavi in condizioni di carico elettrico variabile.

Mentre i sistemi tradizionali operavano in condizioni relativamente stabili, le reti odierne sono caratterizzate da continue variazioni termiche. Questa evoluzione influisce direttamente sulle prestazioni e sull’affidabilità a lungo termine dei giunti per cavi.

→ Che cosa sono gli elevati cicli termici?
→ Perché sono importanti per le moderne reti elettriche?
→ In che modo i cicli termici influenzano i sistemi di cavi
→ Limiti dei sistemi di giunzione convenzionali
→ Valutazione e considerazioni sui test
→ Risultati della ricerca sugli elevati cicli termici nelle reti di media tensione
→ Prospettiva a livello di rete
→ Verso la progettazione di giunti a prova di futuro e conclusioni
→ Contenuti scaricabili e link correlati

Che cosa sono gli elevati cicli termici?

I cicli termici elevati si riferiscono al ripetuto riscaldamento e raffreddamento dei sistemi di cavi causato dalla variazione dei carichi elettrici.

I principali fattori che li determinano includono:
  • Produzione intermittente di energia da fonti rinnovabili, come il solare e l’eolico
  • Variabilità del carico nei processi industriali elettrificati
  • Congestione della rete e operazioni di commutazione
Il risultato non è una condizione termica stabile, ma un ciclo continuo di variazioni della temperatura all’interno del sistema.
high Temperature Cycling in Cable Systems day/night difference

Perché è importante nelle moderne reti elettriche

Il ciclo termico non è più un fenomeno occasionale. È diventato una caratteristica strutturale dei moderni sistemi energetici.

Questo mette in discussione:
• Le tradizionali ipotesi di progettazione
• Le previsioni sulla durata operativa
• Le aspettative di affidabilità
Di conseguenza, componenti che hanno dimostrato prestazioni affidabili in condizioni stabili possono comportarsi diversamente in presenza di profili di carico dinamici.
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Come i cicli termici influenzano i sistemi di cavi

I cicli termici generano diversi effetti interconnessi all’interno dei sistemi di cavi.

Comportamento dei materiali
Materiali diversi si espandono e si contraggono in risposta alle variazioni di temperatura.
Tensioni meccaniche
Le ripetute espansioni e contrazioni provocano un accumulo di tensioni meccaniche, in particolare nelle interfacce tra materiali differenti.
Prestazioni dell’isolamento
Nel tempo, le proprietà dell’isolamento possono degradarsi e all’interno del sistema possono formarsi dei vuoti.
Questi processi sono progressivi e spesso non direttamente visibili, ma influenzano in modo significativo le prestazioni a lungo termine.
Cooling is an important driver for High Temperature Cycling in Cable Systems

Limiti degli approcci convenzionali alla giunzione dei cavi

Molte tecnologie per la giunzione dei cavi sono state sviluppate sulla base delle seguenti ipotesi:

  • Condizioni di carico stabili
  • Comportamento del sistema prevedibile
  • Ambienti di installazione controllati
Nelle moderne reti elettriche, dove i cicli termici rappresentano un fattore dominante, queste ipotesi non sono più completamente valide.
Di conseguenza, le prestazioni effettive sul campo possono discostarsi dai modelli di durata operativa previsti.
Se desideri approfondire il ruolo della tecnologia come base per lo sviluppo dei giunti per cavi, scarica qui sotto la nostra guida comparativa sulle tecnologie di giunzione dei cavi.

Valutazione e considerazioni sui test

I metodi di prova convenzionali si basano spesso su condizioni stazionarie o su scenari con un numero limitato di cicli termici.

Per le applicazioni dinamiche, approcci più rappresentativi includono:
• Prove estese di cicli termici
• Test combinati di sollecitazione elettrica e meccanica
• Simulazioni di invecchiamento a lungo termine
Questi metodi riflettono meglio le reali condizioni operative delle moderne reti elettriche.

Risultati della ricerca sugli elevati cicli termici nei giunti di media tensione

La ricerca dimostra sempre più chiaramente che gli elevati cicli termici rappresentano un fattore strutturale per l’affidabilità delle reti di media tensione.

The layers to create joint make the material interfaces

Evidenze sul campo

Uno studio presentato al Jicable nel 2011 ha rilevato che una quota significativa dei guasti dei giunti per cavi è associata a correnti elevate, in particolare a carichi ciclici.
Il principale meccanismo di degrado è di natura termomeccanica:
  • L’espansione del conduttore genera forze meccaniche interne
  • Queste forze possono causare modalità di guasto impreviste

Validazione in laboratorio

Lo stesso studio ha dimostrato che questi meccanismi di guasto possono essere riprodotti in condizioni di prova controllate.
Ciò conferma che il degrado non è un fenomeno occasionale, ma un effetto prevedibile dei carichi ciclici.

Comportamento delle interfacce

Un'ulteriore ricerca (Sensors, 2020) ha analizzato il comportamento della pressione alle interfacce all'interno dei giunti per cavi.
I risultati evidenziano:
  • Variazioni misurabili della pressione durante i cicli termici
  • Variazioni fino a circa il 40%
  • Nessun recupero completo dopo il raffreddamento
Questi effetti contribuiscono alla formazione di vuoti, allo sviluppo di punti deboli e all'accelerazione dei processi di invecchiamento.

Approfondimento chiave

Il rischio principale non è rappresentato dalla sola temperatura, ma dall’interazione tra:
  • Variazioni termiche
  • Sollecitazioni meccaniche
  • Comportamento delle interfacce tra i materiali
Questa interazione determina il modo in cui i giunti per cavi si degradano nel tempo in condizioni di carico dinamico.

System-Level perspective

Thermal cycling should not be analysed at component level alone.
Relevant system-level factors include:

  • Cable design and construction
  • Installation environment
  • Load profile over time
  • Accessibility for maintenance

A system-oriented approach provides a more accurate view of long-term performance.

Verso una progettazione dei giunti a prova di futuro

L’attenzione nella progettazione dei giunti per cavi sta cambiando.

Da: Temperatura massima >>>>> Verso: Distribuzione interna della temperatura

Questo determina:

  • Gradienti termici
  • Livelli di sollecitazione meccanica
  • Comportamento al degrado
Il concetto di isolamento diventa quindi un parametro di progettazione fondamentale, anziché una considerazione secondaria. Come già osservato e confermato durante i test, l’isolamento LoviSil® è un isolamento liquido non indurente che distribuisce meglio le temperature e mantiene i giunti per cavi e i relativi materiali a una temperatura significativamente inferiore.

Conclusione

Le prestazioni dei giunti per cavi in presenza di elevati cicli termici non dipendono esclusivamente dalla temperatura.
Dipendono da:
  • Gradienti termici
  • Tensioni interne
  • Comportamento dei materiali nel lungo periodo
Le soluzioni che riducono l’accumulo di calore e limitano le sollecitazioni termomeccaniche contribuiscono direttamente a migliorare l’affidabilità.
Nelle reti elettriche sempre più dinamiche, la gestione termica all’interno dei giunti per cavi diventa quindi un fattore critico per le prestazioni dell’intero sistema.

La scelta del corretto concetto di giunzione non è quindi soltanto una scelta di componente, ma una vera e propria decisione progettuale.

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Contenuti scaricabili

Download: Azhar, H. (2024). Valore aggiunto dell’isolamento fluido. Lovink Enertech.
Download: Confronto tra le tecnologie di giunzione per cavi a media tensione.

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