LE LINEE AEREE

LE LINEE AEREE
1. Gli Isolatori
1.1 Generalità
Gli isolatori servono a separare elettricamente i conduttori in tensione dai sostegni.
Debbono essere realizzati in materiale isolante quale Porcellana, o Vetro. Il vetro è
del tipo Pyrex, resistente ad alta temperatura. Negli anni quest’ultimo ha preso il so pravvento poiché la trasparenza rende più facile l’identificazione visiva dei guasti e
per via della possibile presenza di microcavità di aria [vacuoli] in quelli di porcellana.
Un materiale isolante viene selezionato tenendo conto delle seguenti caratteristiche:
1)
Bassa resistività (per gli isolanti non è espressa in [W mm2/m], bensì in [W m])
2)
Elevata Rigidità Dielettrica (espressa in KV/mm). Essa è il massimo valore del
campo elettrico che l’isolante può sostenere senza dar luogo a scarica. L’aria pura a
temperatura ambiente ha rigidità dielettrica pari a ca. 3 kV/mm; per un buon dielettrico essa è intorno a 100 kV/mm.
3)
Resistenza alle altee temperature
4)
Fragilità ridotta
5)
Possibilità di lavorare il materiale in modo da conferirgli la forma desiderata
1.2 La forma degli isolatori
Nei primi anni del secolo scorso fu concepita la forma a uovo (v. figura). In tal modo le
linee di forza del campo elettrico partono dal conduttore e arrivano al sostegno metallico su cui l’isolatore è vincolato avvolgendo l’isolatore a uovo,
senza mai attraversane la superficie. Se ci fosse
attraversamento, si verificherebbe il fenomeno
della rifrazione: le linee di forza del campo elettrico sarebbero deviate e si concentrerebbero in
punti dell’isolatore, compromettendone la durata.
Nei punti in cui si dovessero concentrare eventualmente le linee di forza, sarebbe
elevato il rischio di superare la rigidità
dielettrica.
Gli isolatori a uovo, tuttavia, non sono
idonei per l’installazione all’esterno: la
pioggia metterebbe in contatto elettrico il conduttore con il sostegno metallico. Allora furono introdotti gli isolatori
piatti., magari disposti in cascata, l’uno
vincolato a quello sottostante (figura a
sinistra).
In figura si nota la sede per ospitare il perno dell’isolatore che si
inserisce in sommità e in basso il
perno che si inserisce nella sede
dell’isolatore sottostante. Tutta la
catena di isolatori è flessibile,
così da rendere inoffensive le
eventuali sollecitazioni di flessione indotte dal vento.
1.3 Il problema dei Vacuoli
Per schematizzare il fenomeno della presenza dei vacuoli, si consideri un condensatore
con dielettrico 2 strati. Uno strato è costituito da vetro, mentre lo strato sottostante, assai più piccolo, è costituito da aria. Con ciò si intende simulare la presenza di un
difetto di fabbricazione: il vacuolo, aria presente all’interno dell’isolatore. E’ come se
fossimo in presenza di 2 condensatori in serie. I condensatori in serie sono caratterizzati dall’avere una carica identica sulle armature.
Si chiamino:
Varia= Tensione applicata alle armature con all’interno aria (il vacuolo)
Vvetro= Tensione applicata alle armature con all’interno vetro.
V= Tensione totale applicata fra le armature.
EAria= Campo elettrico all’interno dell’aria
EVetro= Campo elettrico all’interno del vetro
S= Superficie delle armature (eguale per entrambi
i condensatori)
eAria= Costante dielettrica dell’aria
eVetro= Costante dielettrica del vetro
dAria= spessore del dielettrico aria
dVetro= spessore del dielettrico vetro
Volendo verificare che il vacuolo con aria costituisce una criticità per il sistema, si può
scrivere che
V = VAria + VVetro
Inoltre, i campi elettrici all’interno dei due materiali, trattandosi per semplicità di
condensatori piani, valgono (espressi in kV/mm)
E Aria =
VAria
d Aria
EVetro =
VVetro
dVetro
Poiché si tratta di capacità, valgono le formule:
VAria
Q
=
C Aria
VVetro
Q
=
CVetro
da cui si esprime il rapporto fra le tensioni (la carica Q è uguale per tutti i due condensatori, poiché sono in serie
VAria CVetro
=
VVetro C Aria
E’ possibile, dunque, scrivere il rapporto fra i campi elettrici:
E Aria VAria dVetro dVetro VAria dVetro CVetro
=
∗
=
∗
=
∗
EVetro d Aria VVetro d Aria VVetro d Aria C Aria
Ma si sa che per un condensatore piano vale:
C Aria =
ε
Aria
∗S
d Aria
e
CVetro =
ε Vetro ∗ S
dVetro
Sostituendo nel rapporto fra i campi elettrici:
E Aria dVetro d Aria ε Vetro ε Vetro
=
∗
∗
=
EVetro d Aria dVetro ε Aria ε Aria
Poiché lo
eVetro vale 5-6 volte quello dell’aria, ecco che il campo elettrico che caratte-
rizza l’aria del vacuolo è 5-6 volte più intenso di quello presente nel materiale dell’iso latore. Purtroppo, l’aria ha una rigidità dielettrica che è almeno 30 volte minore di
quella del vetro. Si rischia che nel vacuolo si verifichino scariche che a lungo andare
compromettano il resto dell’isolatore.
2. Le linee aeree
I conduttori sono realizzati in rame (resistività pari a 17.8 W mm2/km a 20°C). Essi
vengono issati mediante carrucole e tesati in modo da evitare di avere un assetto
orizzontale. Difatti, se così fosse, gli isolatori e i tralicci sarebbero sollecitati in
modo indebito meccanicamente. Il conduttore si adagia dunque su una curva chiamata
catenaria. Questo fatto comporta una lunghezza del rame superiore di almeno il 10 %
rispetto al caso della tesatura perfettamente orizzontale.
Occorre che venga mantenuta una distanza di rispetto fra il conduttore e qualsiasi
corpo che da terra fronteggia la linea.
La linea è sormontata da una fune (fune di
guardia; nella foto ci sono 2 funi di guardia) con il compito di creare un cono di
protezione dai campi elettrici creati da
scariche atmosferiche. Sulla fune di guardia si posa anche una fibra ottica con scopi
di comunicazione.
Nella figura a sinistra si nota che ogni fase è in realtà
costituita da 3 conduttori ravvicinati (conduttori
trinati). In tal modo, la sezione del conduttore di fase è
come se fosse più grande: certo, non ai fini di abbassare
la resistenza (la quale dipende dalla effettiva sezione del
rame) ma di abbassare il campo elettrico. Se infatti il
campo elettrico assumesse valori elevati, si innescherebbe il cosiddetto EFFETTO CORONA per il quale si rompe la rigidità dielettrica dell’aria, si generano rumori
(come di aria che frigge) e aloni luminescenti. Questo fenomeno è causa di indesiderate dispersioni di corrente
ed è più sensibile in caso di alte temperature, umidità e
inquinamento dell’atmosfera.
Nelle linee ad altissima tensione i conduttori non sono realizzati in rame, ma hanno
un’anima in acciaio, con scopi di resistenza meccanica, circondata da un rivestimento di
lega di alluminio, con scopi di conduzione elettrica. Va anche precisato che in corrente
alternata la corrente tende a distribuirsi in periferia del conduttore (effetto pelle –
v. oltre) ed è giusto che in periferia si trovi lega di alluminio. L’alluminio in questo
caso viene preferito al rame per via della sua densità – 3volte più bassa.
Le linee aeree trovano sempre maggiore opposizione nelle popolazioni, le quali le reputano dannose per la fruizione del paesaggio, nonché per via dell'esposizione ai campi
elettromagnetici (v. apposita sezione in IMPIANTI V ANNO, argomento da svolgersi
al 5° anno). L’alternativa è la linea in cavo (isolato in SF 6 – esafluoruro di zolfo), ma
questa soluzione costa 10 volte di più.
2.1 Effetto Pelle
L’effetto pelle fa sì che nei conduttori di
grande sezione in c.a. la corrente tenda a
distribuirsi nella superficie esterna, un po’
trascurando di passare dal centro della sezione. Si consideri il cavo illustrato a sinistra,. in cui la corrente alternata sta
fluendo da destra verso sinistra e che in
quell’istante assuma valore crescente. Essa genera nello stesso conduttore un campo
magnetico la cui induzione B è uscente dal lato inferiore della figura e entrante nel
lato superiore. L’induzione è in quel momento variabile e sta crescendo anch’essa, allo ra induce nel rame che sta al suo interno una corrente variabile che è volta a opporsi
alla crescita di B e assume verso opposto alla corrente principale. In tal modo, al centro del conduttore la corrente è meno intensa rispetto a quel che accade in periferia.
Il fenomeno è più accentuato alle alte frequenze. Si può risolvere grazie all’adozione
di conduttori cavi (con anima di acciaio per le linee A.T.).