Cavi elettrici

Premessa:

Dal punto di vista elettrico i materiali si dividono in conduttori, semiconduttori e isolanti.

  • Con il termine  conduttori vengono indicati tutti quei materiali che si lasciano attraversare dalla corrente elettrica.  I materiali conduttori possono essere di diversa natura, quelli con le caratteristiche migliori sono i metalli  come oro, argento, rame ecc.., il rame è il materiale più utilizzato per il trasporto dell'energia, questo perché, pur non essendo il migliore tra i conduttori, è quello che offre il miglior rapporto qualità/prezzo.
  • I  semiconduttori sono dei materiali che al di  sotto di certi valori di tensione si comportano da isolanti, mentre al di sopra si comportano da conduttori, per questa loro caratteristica vengono molto adoperati in elettronica.
  • Gli isolanti sono dei materiali che si oppongono al passaggio della corrente elettrica e per questa loro caratteristica vengono impiegati per isolare i conduttori.

Struttura del cavo

cavo eletricoUn cavo elettrico è costituito da un anima realizzata in materiale conduttore, rivestita da materiale isolante. Il conduttore è generalmente costituito da un metallo o da una lega di metalli e può presentarsi sotto forma di un filo unico o di  corda di fili (unione di più fili elementari), a sua volta la corda può essere rigida o flessibile. A seconda del tipo di isolante che riveste il conduttore possiamo distinguere due categorie principali di cavi: cavi in carta impregnata e cavi ad isolante estruso. I cavi in carta impregnata vengono usati solo per le altissime tensioni; di uso più comune, invece, sono i cavi ad isolante estruso, che a loro volta si dividono in termoplastici ed elastomerici. Alcuni cavi vengono muniti di schermo, lo schermo viene realizzato mediante una calza di fili di rame ed ha l'obbiettivo di limitare i disturbi elettromagnetici (Gabbia di Faraday). I cavi elettrici possono essere ulteriormente distinti in  unipolari, cioè  costituiti da un unico conduttore, e multipolari, ossia costituiti da più conduttori. I conduttori possono essere liberi o raggruppati all'interno di un ulteriore guaina protettiva realizzata in materiale  metallico o elastomerico.

L'isolante

l'isolante o dielettrico  svolge una funzione importantissima, infatti, oltre a fornire una protezione contro i contatti accidentali,  ha il compito di isolare il conduttore da altri conduttori attivi, evitando i cortocircuiti. La funzione dell'isolante deve essere garantita nel tempo, quindi il materiale con cui è realizzato deve avere una buona resistenza  agli stress di natura chimica e a quelli di natura meccanica, inoltre deve resistere alle altissime temperature dovute alle elevate correnti che potrebbero attraversare il conduttore in caso di cortocircuito o sovraccarico. Un altro aspetto che riguarda  da vicino l'isolante è il suo comportamento in caso d'incendio. Le norme antincendio stabiliscono che l'isolante dei cavi elettrici deve essere realizzato con materiali autoestinguenti e a bassa emissione di fumi.

Gli isolanti si dividono in:

  • Termoplastici, sono realizzati con dei materiali plastici che hanno la caratteristica di rammollire alle alte temperature e indurire a temperature più basse, questa proprietà gli consente di essere sottoposti a più cicli di lavorazione rendendo più facile il loro recupero o smaltimento. I materiali termoplastici più usati per la costruzione dei cavi sono il PVC e il polietilene;
  • elastomeri, sono dei  materiali che alle basse temperature si comportano come i termoplastici, mentre alle alte temperature subiscono un processo  di vulcanizzazione che li rende permanentemente duri  aumentando la loro resistenza alle temperature elevate.

 

Dimensionamento

Cavo elettricoIl corretto dimensionamento dei cavi elettrici rappresenta un aspetto fondamentale del progetto di un impianto elettrico, i principali fattori da tenere in considerazione sono la tensione e la corrente a cui saranno sottoposti i cavi durante il loro funzionamento, il tipo di posa (in tubo, all'aperto, interrata ecc..), e le caratteristiche dell'ambiente circostante (presenza di sostanze chimiche, rischio d'incendio ecc..).

Scelta dell'isolante 

Un giusto dimensionamento dell'isolante deve garantirci un buon livello di protezione prolungato nel tempo, rispetto alle diverse tipologie di stress a cui il cavo potrà essere sottoposto durante il suo funzionamento. Al contrario di quanto si possa immaginare lo spessore dell'isolante non viene dettato da fattori di natura elettrica ma da fattori di natura termica e meccanica. L'aspetto termico riguarda il calore prodotto dalla corrente che attraversa il cavo, l'isolante deve poter dissipare, senza danneggiarsi, sia il calore generato in condizioni di funzionamento normale che quello, ben più elevato, che potrebbe generarsi in caso di cortocircuito. L'aspetto meccanico, invece, deve tener conto degli stress che il cavo potrebbe subire durante la posa (attrito con altri cavi, torsioni ecc..), e anche a quelli dovuti al luogo in cui viene posato il cavo ( esterno, interrato, ambienti corrosivi ecc..).

Durante il funzionamento di un cavo si possono distinguere tre diverse situazioni, che influenzano la temperatura a cui è sottoposto l'isolante;

  • regime permanente, si ha questa condizione quando nel cavo scorre una corrente costante nel tempo, che  lo porta  ad una temperatura stabile detta di regime.
  • sovraccarico, si ha questa condizione quando nel cavo scorre una corrente più elevata rispetto a quella prevista dal progetto, questa corrente causa alte temperature e se non venisse interrotta in tempi brevi, grazie all'intervento dell'interruttore magnetotermico, danneggerebbe sicuramente l'isolante.
  • cortocircuito, si ha questa condizione quando entrano in contatto due conduttori attivi, l'assenza di resistenza tra i conduttori fa circolare delle correnti elevatissime che generano delle temperature altrettanto elevate. Questa corrente deve essere interrotta quasi istantaneamente, grazie all'intervento delle protezioni, altrimenti si assisterebbe al danneggiamento del cavo e, nella peggiore delle ipotesi, allo sviluppo di un incendio.

 

Sezione del conduttore

Un altro parametro fondamentale per la scelta del cavo è la sezione del conduttore, essa va calcolata tenendo in considerazione  l'aspetto termico e l'aspetto della caduta di tensione. L'aspetto termico dipende dal tipo di posa, infatti un cavo interrato in un terreno umido e compatto, ha più capacità di disperdere calore di un cavo interrato in ghiaia, quindi a parità di sezione, una maggiore capacità di disperdere calore coincide con una maggiore portata di corrente. Il calcolo della caduta di tensione è legato alla distanza tra sorgente ed utilizzatore, infatti la resistenza del conduttore introduce una caduta di tensione che aumenta all'aumentare della lunghezza del cavo, la massima caduta di tensione ammissibile per gli impianti civili è del 4% rispetto alla tensione nominale di 220 V e vale circa 8,8 V.

Le Tabelle per i cavi elettrici

Sul cavo sono serigrafate delle sigle che ci danno delle informazioni sulla tipologia dell'isolante e sulle caratteristiche del conduttore, per esempio se su un cavo leggiamo  la sigla N07V -K  (vedi  tabella 5), significa  che stiamo parlando di un cavo con le seguenti caratteristiche:   

  • N nazionale (indica un cavo conforme alle norme italiane , mentre H armonizzato indica un cavo conforme alle norme europee);
  • 07 Cavo per tensione nominale U0/U 450/750V;
  • V Materiale isolante in PVC;
  • -K Corda flessibile per posa fissa.

Le tabelle vengono rilasciate dagli enti normatori e dalle aziende produttrici di cavi, al loro interno vengono descritte le caratteristiche dei cavi. 

Esempio:

Supponiamo di voler trasportare una potenza di 5KW ad una distanza di 40m con posa interrata. 

Visto il tipo di posa ci affidiamo ad un cavo di qualità G7 sotto guaina di PVC (vedi tabella 1 e 8) FG7OR 2X1 +G (G è il conduttore di terra e non porta corrente). Il carico e' quasi completamente resistivo per cui assumeremo cosΦ = 1

la  corrente da trasmettere sarà:

(1)      I = W/V = 5000/220 = 22,7 A        

Basandoci solo sulla componente termica la tabella 8 ci dice che per questo valore di corrente può andare sicuramente bene una sezione di 1,5 mm2, ma vista la lunghezza della tratta non possiamo sottrarci dal fare la verifica della caduta di tensione.

La tabella 9 ci dice che per la sezione di 1,5 mm2 la caduta di tensione è pari a

ΔV = 30,2 mV/Am

questo vuol dire che la tensione cala di 30,2 mV per ogni ampere di corrente e per ogni metro di lunghezza del collegamento quindi:

(2)     ΔV = KIL/1000 cioè ΔV = 30,2 x 22,7 x 40 /1000 = 27,4 V  ma 27,4 è il 12,5% della tensione nominale mentre la massima caduta ammessa è del 4%  cioè 8,8 V, quindi la sezione di 1,5 mm2 non risulta idonea al nostro scopo.

Ricavando K dalla (2), abbiamo:

K = 1000 x ΔV/IL

cioè:

K = 1000 x 8,8 / 22,7 x 40 = 9,7 mV/Am

Poichè si tratta di un valore da non superare nella tabella 9 cerchiamo il valore di K immediatamente inferiore  trovando K = 7,56 in corrispondenza della sezione di 6 mm2, che sarà la giusta sezione da adottare.

 

Tabella 1

Mescole elastomeriche isolanti

Qualità

Sigla

naz.

Tipologia

Temperatura

Caratteristica

Temperatura max

di cortocircuito

Utilizzo
G7 G7

Mescola elastomerica

reticolata ad alto modulo

a base di gomma sintetica

90  °C 250 °C

Isolante per posa fissa

in ambienti anche bagnati

adatto per posa interrata

G9 G9

Mescola elastomerica

reticolata a bassa emissione

di fumi e gas tossici e corrosivi

90  °C 250 °C

Isolante per cavi

non propaganti l'incendio

per cablaggi interni

G10 G10

Mescola elastomerica

reticolata a bassa emissione

di fumi e gas tossici e corrosivi
90  °C 250 °C

Isolante per cavi non

propaganti l'incendio

per posa fissa, mobile, interrata

 

Tabella 2

Mescole termoplastiche isolanti

Qualità

Sigla

naz.

Tipologia

Temperatura

caratteristica

Temperatura max

di cortocircuito

Utilizzo
T11

R

Mescola termoplastica

a base di polivinilcloruro

70  °C

160  °C

Isolante per cavi per

tensione nominale non

superiore a 1000 V,

posa fissa

T12

R

Mescola termoplastica

a base di polivinilcloruro

70  °C

160 °C

Isolante per cavi per

tensione nominale non

superiore a 750 V,

collegamenti mobili
R2 R2

Mescola termoplastica

a base di polivinilcloruro
70  °C 160  °C

Isolante per cavi per

tensione nominale non

superiore a 20 KV,

posa fissa in ambienti anche bagnati

 

Tabella 3

Mescole elastomeriche per guaine

Qualità

Sigla

naz.

Tipologia Utilizzo
EM2 K

Mescola elastomerica

reticolata  a base di

policloroprene

Guaina protettiva per cavi per posa

fissa o per collegamenti mobili per

servizio meccanico anche gravoso

M2 M2

Mescola elastomerica

reticolata a basso sviluppo

di fumi,  gas tossici e corrosivi

Guaina protettiva di cavi non propa-

ganti l'incendio a basso sviluppo

di fumi di gas tossici e corrosivi

M3 M3

Mescola elastomerica

reticolata a basso sviluppo

di fumi,  gas tossici e corrosivi

Guaina protettiva di cavi non propa-

ganti l'incendio a basso sviluppo

di fumi di gas tossici e corrosivi

 

Tabella 4

Mescole termoplastiche per guaine

Qalità

Sigla

naz.

Tipologia Utilizzo
TM1 R

Mescola termoplastica

a base di polivinilcloruro

Guaina protettiva di cavi per posa

fissa in ambienti anche bagnati
TM2 R

Mescola termoplastica

a base di polivinilcloruro

Guaina protettiva di cavi per collegamenti

mobili in ambienti anche bagnati
Rz R

Mescola termoplastica

a base di polivinilcloruro

Guaina protettiva di cavi per posa

fissa in ambienti anche bagnati e per

cavi non propaganti l'incendio
M1 M1

escola a base di materiale

termoplastico a basso

sviluppo di gas tossici

e corrosivi

Guaina protettiva di cavi non propaganti

l'incendio a basso sviluppo di fumi e

gas tossici e corrosivi

 

Tabella 5

Designazione cavi secondo la norma CEI 20-27

Riferimento alle norme H Armonizzato
A Autorizzato
N Nazionale
Tensione nominale 03 Tensione nominale U0/U 300/300V
05 Tensione nominale U0/U 300/500V
07 Tensione nominale U0/U 450/750V
1 Tensione nominale U0/U 0,6KV
Materiale isolante V PVC
A Gomma sintetica
G9 Elastomero reticolato speciale
Schermatura e armatura C Conduttore concentrico di rame
A7 Schermo elettrostatico di alluminio
C7 Schermatura a fili o nastri di rame
C4 Schermatura a trecci di fili di reme
Z2 Armatura a fili
Z3 Armatura a piattine
Z4 Armatura a nastri
Z5 Treccia di fili di acciaio
Guaina N Policloroprene
V Polivinilcloruro-PVC
Forma del conduttore -U Filo unico
-R Corda rigida
-K Corda flessibile per posa fissa
-F Corda flessibile  per servizio mobile

 Tabella 6

Designazione cavi secondo la tabella CEI-UNE 35011

 

Natura e forma

del conduttore

 A  Allumini (rame no sigla)
 V  Filo unico
 R  Corda rigida
 F  Corda flessibile
 S  Conduttore seriale
Materiale
isolante
 G1  Gomma sintetica
 G5  Gomma EPR
 G7  Gomma EPR ad alto modulo
 G9  Elastomero reticolato speciale
 G10  Elastomero reticolato speciale
 R  Polivinilcloruro-PVC
 R2  PVC di qualità superiore
 E4  Polietilene reticolato
 Forma dei Cavi
 
 O  Anime riunite per cavo rotondo
 D  Anime riunite per cavo piatto

 Schermatura e

armatura

       
 C  Conduttore concentrico di rame
 H  Schermo elettrostatico di alluminio
 H1  Schermatura a fili o a nastri di rame
 H2  Schermatura a treccia di fili di rame
 F  Armatura a fili
 Z  Armatura a piattine
 N  Armatura a nastri
 A  Armatura a fili d'acciaio
 Guaina    R  Polivinilcoruro-PVC
 K  Policloroprene
 M1  Termoplastica speciale
M2 Elastomero speciale

 

Tabella 7

-Tpio cavo N07V -K

-Cavi unipolari flessibili, isolati in PVC di qualità  R2, senza guaina

-Installazione entro tubazioni in vista o incassate

-Norme di riferimento: CEI 20-20

       

Sezione

nominale

mm2

Diametro

del

conduttore mm

Spessore

medio

isolante mm

 Diametro

esterno

massimo mm

Peso

indicativo

del cavo

Kg/Km

Resistenza

elettrica

a 20 °C

Ω/Km

Portata con

temp. amb. 30°C

in tubo in aria

A

 1,00 1,3  0,7 3,2 14 19,50 12
1,50 1,5 0,7 3,5 19 13,30 15,5
2,50 1,8 0,8 4,2 30 7,98 21
4,00 2,5 0,8 4,8 45 4,95 28
6,00 3 0,8 6,3 63 3,30 36

 

Tabella

8

-Tipo FG7OR 0,6/1 kV

-Cavi multipolari flessibili, isolati in EPR ad alto modulo, sotto guaina di PVC di qualità Rz di colore grigio

-Per posa fissa, in aria libera, in tubazioni, in canalette; possono essere direttamente interrati

-Norme di riferimento: CEI 20-13


Numero

conduttori

n.

Sezione

nominale

mm2

Diametro

indicativo

conduttore

mm

Spessore

medio

isolante

mm

Diametro

esterno

massimo

mm

Peso

indicativo

del cavo

Kg/Km

Resistenza

max a 20 °C

in c.c.

Ω/km

Portata di corrente in (A) con temp. ambiente di:

30 °C

in tubo

in aria

20 °C

in tubo

interrato

2X 1,5 1,5 0,7 12 150 13,3 22 36
2,5 1,9 0,7 13 190 7,98 30 47
4 2,4 0,7 14,2 240 4,95 40 61
6 3 0,7 15,4 310 3,30 51 77
10 4,1 0,7 18,2 440 1,91 69 105
16 5,2 0,7 20,4 600 1,21 91 136
25 6,3 0,9 24,5 850 0,780 119 177
35 7,7 0,9 26,5 1130 0,554 146 212
50 9,4 1 30 1580 0,386 175 252

 

Tabella

9

Caduta di tensione ΔV = KIL/1000

Corrente I in A; Lunghezza L in m ; Coefficente K in mV/Am

  Monofase Trifase

Sistema cosφ

sezione (mm2)

0,8 1 0,8 1
1 36,1 45 31,3 39
1,5 24,3 30,2 21 26,1
2,5 14,7 18,2 12,7 15,7
4 9,21 11,4 7,98 9,85
6 6,16 7,56 5,34 6,54
10 3,73 4,55 3,24 3,94
16 2,39 2,87 2,07 2,48
25 1,55 1,81 1,34 1,57
35 1,14 1,31 0,99 1,13
50 0,87 0,97 0,75 0,94
70 0,624 0,669 0,541 0,579
95 0,476 0,484 0,412 0,419
120 0,394 0,383 0,342 0,332

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