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Cavi elettrici

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Tipologie di cavi elettrici Dimensionamento Siglatura Norme Portata

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Cavi elettrici

  1. 1. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2015 CAVI ELETTRICI Materiali isolanti. Condizioni di Posa. Portata massima di corrente Iz. Caduta di tensione. Dimensionamento. Formazione dei conduttori. Siglatura. Norme. 1 Pro manuscripto - Dispense didattiche Istituto Professionale per l'industria e l'Artigianato "Salvo D’Acquisto" Bagheria STAMPA SOLO SE NECESSARIO
  2. 2. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Conduttori e Cavi • Un cavo può essere ad uno o più conduttori 2
  3. 3. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Conduttori e Cavi • Alcuni cavi sono armati, ossia hanno una protezione metallica sotto la guaina più esterna: sono usati in ambito aereo, navale, ferroviario, militare e per AT e MT 3
  4. 4. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Conduttore in Alluminio 4 La resistività è 1,7 volte quella del rame quindi bisogna aumentare la sezione del 70% per avere la stessa caduta di tensione
  5. 5. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Resistività 5 II Legge di Ohm: R=𝝆*L/S Resistività: 𝝆=R*S/L [Ωmm2/m] 𝝆 = 0,0178 [Ωmm2/m] 𝝆 = 0,03 [Ωmm2/m]
  6. 6. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Conduttore in Alluminio 6 I cavi aerei di AT e MT sono in alluminio (leggero ed economico) con anima in acciaio (resistente)
  7. 7. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Conduttori e Cavi • I parametri fondamentali di un cavo sono: • Materiali conduttori (Rame o Alluminio) da cui deriva la resistenza elettrica. I costruttori la dànno in Ω/km • Sezione S dei conduttori (area di sezione in mm2) • Materiali isolanti e quindi tensione nominale di esercizio, temperatura min e max, resistenza ad agenti chimici esterni • Iz: portata o corrente massima continuativa: dipende da materiale conduttore, sezione, materiale isolante, e dalle condizioni di posa del cavo 7
  8. 8. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Condizioni di posa 8 Posa in aria La posa in canalina metallica è assimilata alla posa in aria Posa in tubo in aria Si intende in tubo di PVC rigido (tipo Atlas). E’ peggiorativa rispetto alla posa in aria. Posa interrata entro cavidotti in tubo corrugato o canali in cemento. Si mettono dei pozzetti rompitratta. Posa incassata sotto traccia in muri. E’ la condizione peggiore per la dissipazione del calore. Quindi portata Iz minima.
  9. 9. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Condizioni di posa 9 Posa interrata: Se devono essere eseguiti dei giunti nei pozzetti, si usano giunti testa-testa crimpati e il giunto viene reso impermeabile colando una resina bicomponente o un apposito gel: giunti resinati o “muffole” Giunto testa-testa Crimpatrice o Pressagiunti da 13 Ton
  10. 10. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Giunti in resina o gel (cosiddette “Muffole”) 10
  11. 11. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Cablaggio cavi di terra • La terra viene indicata spesso con PE (Protection Earth) • La dorsale di un cavo di terra (collettore generale di terra) non deve mai essere interrotta da giunzioni • Per fare giunzioni con linee derivate si usa un morsetto chiamato: morsetto bifilare a pettine. 11
  12. 12. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Dimensionamento Cavi I criteri fondamentali per dimensionare i cavi sono essenzialmente 2: 1. Non superare la portata in corrente Iz del cavo.
 Per questo dimensionamento si usa la corrente nominale In del magnetotermico o dei fusibili messi a protezione della linea: IB ≤ In ≤ Iz 2. Limitare la caduta di tensione totale al 4% 
 Per questo dimensionamento si usa la corrente di impiego IB effettivamente assorbita dal carico 12 Nelle linee brevi prevale il vincolo di non superare Iz del cavo perché le cadute sono piccole e si raggiunge prima il limite Iz. Nelle linee lunghe invece prevale la caduta di tensione, mentre la Iz non viene mai raggiunta.
  13. 13. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2015 13 INIZIO CALCOLO Ib SCELTA In interruttore In>=Ib SCELTA Sezione conduttore Iz>=In>=Ib aumentare S NO SI calcolo Icc verifica Icc<=PDI? verifica c.d.t DV%<=3-4%? sceglierealtro interruttore NO SI verifica I2 t<=K2 S2 ? fine aumentare S SI NO Dimensionamento Cavi: procedimento completo 7) Verifico che l’energia passante I2t attraverso il MT, sia tollerata dal cavo; S è la sezione del cavo, K è data dal costruttore del cavo ed è uguale a 115 per cavi in PVC (NO7VK) e 145 per cavi EPR (FG7R) 6) Verifico Icc cioè la corrente di cortocircuito calcolata con il tipo di cavo scelto 1) Calcolo Ib, corrente di impiego, con le formule viste, a partire da P, V e cos𝜙 2) Scelgo In del magnetotermico tra i valori standard commerciali (2,4,6,10,13,16,20,25,32,63,80,100,125,160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 1200, 3200A) 3) Sulla base di In e delle condizioni di posa, scelgo il cavo 4) Calcolo la caduta di tensione sul cavo scelto (dipende dalla corrente Ib, dalla lunghezza L e dalla sezione S). Tale calcolo può essere fatto sulla base di Ib. 5) Se la caduta è >4% aumento la sezione S e ripeto i calcoli
  14. 14. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Portata Iz dei cavi • La Iz viene indicata dal costruttore del cavo come Portata [A] 14
  15. 15. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Dimensionamento cavi: CADUTA • Per calcolare la caduta di tensione bisogna conoscere la corrente. • Se non si conosce la corrente ma la potenza, si deve calcolare: 15 In monofase: dalla potenza P=E*I*cos(𝜙) ricavo la corrente: ove E=230V (tensione stellata) In trifase: dalla potenza P=√3*U*I*cos(𝜙) ricavo la corrente: ove U=400V (tensione concatenata) E*cos(𝜙) I= P √3*U*cos(𝜙) I= P
  16. 16. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Dimensionamento cavi: CADUTA Metodo Semplificato • Conoscendo la corrente e la distanza si può calcolare la resistenza massima che può avere il cavo per avere una caduta ≤ 4% e quindi scegliere il cavo dalla scheda tecnica del costruttore dove è indicata anche la resistenza in Ω al km • Il calcolo semplificato non tiene conto della reattanza del cavo (prevalentemente induttiva) che comunque a frequenza di 50Hz è trascurabile rispetto alla resistenza, soprattutto per cavi di piccola sezione e se i cavi sono affiancati uno all’altro e lontani da parti ferrose. • Inoltre il calcolo semplificato va bene per cos𝜙 vicini a 1. Si tenga però presente che con un cos𝜙 basso, il metodo semplificato è migliorativo perché produce un errore in eccesso per la caduta di tensione. In realtà la caduta è minore in quanto la sinusoide di corrente (che è ciò produce caduta) si sposta nel tempo con i massimi verso punti ove la tensione passa per lo zero. 16
  17. 17. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Dimensionamento cavi: CADUTA • Attenzione: in monofase la lunghezza del cavo è il doppio della distanza tra carico e punto di alimentazione: L=2*D • In trifase e per un carico simmetrico ed equilibrato la lunghezza deve essere considerata uguale alla distanza L=D (e non al doppio). Infatti la corrente di Neutro è nulla e quindi tra i centri-stella non c’è caduta. Questo vale sia quando il neutro è distribuito sia quando è virtuale (e questo è, in fondo, uno dei grandi vantaggi del sistema trifase). • Il limite del 4% sulla massima caduta di tensione calcolato sulle tensioni stellate è: 4% di 230V = 9,2V. 17
  18. 18. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 APPROFONDIMENTO: CADUTA NEI SISTEMI TRIFASE • In trifase COSA DOBBIAMO ASSUMERE COME LUNGHEZZA? Dobbiamo assumere cioè una lunghezza pari a due volte la distanza oppure L=D? • La risposta è L=D: la lunghezza da usare nel calcolo è uguale alla distanza tra sorgente e carico e non il doppio come nel monofase. 18 Se il carico è simmetrico ed equilibrato le tensioni stellate sono tra loro uguali cioè E1=E2=E3=230V e le correnti delle singole fasi sono tra loro uguali I1=I2=I3 e la corrente totale istantanea che passa su tutte le tre fasi è nulla. Quindi come caduta di tensione possiamo assumere quella della sola fase poiché la corrente di neutro è nulla e non produce caduta. Quindi applico il limite di caduta del 4% alle tensioni stellate di 230V e ciò significa che la caduta di tensione misurata rispetto al centrostella su ogni fase non deve superare 9,6V quando viene percorsa da una corrente di fase: I1=I2=I3= P / [3*E*cos(𝜙)] = P / [√3*U*cos(𝜙)] su una lunghezza pari alla semplice distanza D quindi: R/km ≤ ∆V / Distanza [km] cioè R/km ≤ (9,6 V / Ifase) / Distanza [km] PERCHE’?
  19. 19. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Un dubbio: • Perché calcolo il 4% sulle tensioni stellate? Perché è un calcolo semplice basta conoscere solo la corrente di fase I e la resistenza del cavo, mentre la caduta di tensione concatenata comporta calcoli più complessi in quanto le due correnti sono sfasate di 120°. • In trifase se ho una caduta del 4% sulle tensioni stellate E1=E2=E3=230V, anche le tensioni concatenate U12=U23=U31=400V hanno una caduta del 4%? • La risposta è: Sì. Infatti se nel diagramma vettoriale (dei fasori) riduco E1 E2 E3 del 4%, anche U12 U23 V31 si ridurranno del 4% perché sono soggette alla stessa trasformazione lineare (fattore di scala). 19 🤔
  20. 20. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Esercitazione 1. Dimensionare un cavo butilico FG7R per alimentare un carico trifase di 30kW equilibrato con cos(𝜙)=0,7 ad una distanza di 50m. La posa è: cavidotto interrato. Tenere conto dei due vincoli: A. caduta di tensione totale max ≤ 4% B. portata del cavo Iz (consultare tabella) Non tenere conto della reattanza dei cavi. Determinare quale dei due vincoli è dominante. 20
  21. 21. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Svolgimento (traccia) • Calcolo la corrente sul carico IB (“corrente di impiego”) • Da questa scelgo la corrente nominale In del magnetotermico tra uno dei valori standard maggiori di IB con un buon margine di sicurezza. I valori standard di In sono: 2,6,10,13,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125,200,250,320,400,500,630,800,
 1200, 2500, 3200A. Ad esempio se IB=78A, scelgo In=100A. • Primo vincolo: la portata Iz del cavo nelle condizioni di posa deve essere: 
 Iz maggiore della corrente nominale In. • Dalle tabelle dei costruttori di cavi vedo quale sezione minima è necessaria. • Secondo vincolo: la caduta di tensione ∆E su ogni fase. Quella max totale accettabile è 4%. Il 4% di 230V è 9,2V. Calcolo semplificato: dalla legge di Ohm conoscendo la corrente di fase I calcolo la resistenza massima che può avere il cavo R=∆E/I e, conoscendo la lunghezza, calcolo la resistenza specifica per km massima accettabile del cavo. Devo tenere conto che in monofase la lunghezza è il doppio della distanza, mentre in trifase devo usare la semplice distanza. 21
  22. 22. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Svolgimento completo • Calcolo la corrente: I= Pa/[√3*U*cos(𝜙)]=30000/[1,73*400*0,7] = 61,9A equilibrata • Primo vincolo: sulla portata Iz del cavo. Prima di tutto devo scegliere l’interruttore magnetotermico. Dato che il valore standard più vicino di 63A è troppo al limite, scelgo quello immediatamente maggiore che ha corrente nominale In = 80A. • Il cavo in posa interrata deve avere Iz > 80A. Intanto per la posa interrata sono indicati i cavi butilici cioè “FG7(O)R”. 
 Dalle tabelle di un fabbricante di cavi (v.pag seguente) vedo che è necessario almeno il 25 mm 2 il quale, interrato in tubo, riesce a portare più di 80A e precisamente 100A. Il 16mm 2 è insufficiente perché ha Iz=75A. E’ vero che la corrente di utilizzo è 61,9A quindi il cavo da 16 la sopporta, ma il magnetotermico scelto In=80A non proteggerebbe il cavo. Se d’altronde scegliessi il 35mm tecnicamente sarebbe tanto meglio,, ma piangerà il portafogli e il cliente potrebbe rivolgersi ad un altro installatore che gli fa spendere meno. (Inoltre bisogna valutare sempre se tre cavi da 25 passano facilmente nei cavidotti e riescono a fare le curve, e se saranno probabili ampliamenti futuri di potenza.) • Secondo vincolo: la caduta di tensione. La distanza è D=100m. La caduta di tensione totale max accettabile è 4%. Il 4% di 230V è 9,2V. 
 Calcolo la resistenza massima che può avere il cavo: 
 R ≤ V / I = 9,2V / 61,9A = 0,149 Ω
 Esprimo la lunghezza in km: L=D=100m=0,1km. 
 La resistenza specifica per km quindi deve essere Rkm ≤ 0,149 Ω / 0,1 km ossia 
 Rkm ≤ 1,49 Ω / km. Il cavo da 25mm 2 con la sua resistenza di 0,78 Ω/km soddisfa questo vincolo. • Quale dei due vincoli è dominante? Intuisco che è dominante il vincolo sulla portata del cavo Iz ≥ In. Se il cavidotto fosse più lungo, diventerebbe determinante invece il vincolo ∆E≤4% 22
  23. 23. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 23
  24. 24. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Considerazioni sul precedente calcolo • Il calcolo proposto è valido per carico simmetrico (3 tensioni uguali) ed equilibrato (3 correnti uguali). • Non tiene conto della reattanza dei cavi (solitamente trascurabile a 50Hz considerando anche il fatto che normalmente sono strettamente affiancati e lontani da materiali ferrosi quindi l’induttanza è trascurabile). • Non tiene conto che per cos𝜙 bassi la caduta è minore in quanto la caduta sui cavi è prodotta dalla corrente, e questa è spostata nel tempo con i massimi in zone a tensione bassa quindi influisce meno sulla tensione efficace che arriva al carico. • Non tiene conto dello spunto di avviamento motori, durante il quale l’assorbimento può salire a 5÷6 volte IB e può determinare difficoltà di avviamento per caduta di tensione soprattutto per pompe sommerse che stanno ferme per molto tempo. 24
  25. 25. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Tipi di cavi frequentemente usati • Il cavo più comune è N07V-K con rivestimento in PVC indicato per quadri elettrici e linee sottotraccia o in tubo di plastica, comunque in interni. Classe isolamento 450/700V. Non adatto a stare costantemente in acqua perché igroscopico. • Il cavo multipolare FROR con guaina esterna in PVC è basato su singoli conduttori in PVC N07V-K con indicazioni analoghe. • Il cavo con doppio isolamento butilico FG7OR (gomma EPR o HEPR con guaina esterna in PVC) con isolamento classe 600/1000V è usato per sole installazioni fisse, in interni o esterni, linee interrate in cavidotti (tubo corrugato) o cavi direttamente interrati anche sott’acqua. E’ molto usato in pubblica illuminazione. Ha una resistenza alla temperatura continua fino a 90° e quindi una portata di corrente maggiore del N07V-K. • Il cavo multipolare butilico è siglato FG7R. 25
  26. 26. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Tipi di cavi più specifici • FG21 Cavo solare, tensioni alte fino a 1000V • FG10 Cavo per installazione in locali ad alto rischio (Hangar, aeroporti, ospedali e pronto soccorsi…) a bassa tossicità in caso di incendio (guaina di colore verde) • NR0 Cavo in Neoprene resistente all’acqua e adatto a installazioni mobili (es. elettropompe sommerse) 26
  27. 27. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 27
  28. 28. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 28
  29. 29. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Colori ammessi per i cavi • Il colore GialloVerde è ammesso solo per la terra di protezione. E’ escluso ogni altro impiego. • Il colore Blu è riservato per il conduttore di Neutro. E’ possibile per il neutro usare altri colori (escluso GialloVerde) purché sia contrassegnato alle estremità con nastro o guaina di colore blu. • Per le fasi consigliati i colori Nero Marrone Grigio. ed è consigliato di usarli in questo ordine per le fasi R S T (o L1 L2 L3). In ogni caso nei quadri e impianti elettrici conviene non invertirli mai. Sono utilizzabili comunque altri colori. • Il colore Rosso è consigliato per i circuiti a 24V SELV/ PELV. 29
  30. 30. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Norme sui cavi • CEI UNEL 35024 e 35375 - Tabelle portate dei cavi • CEI UNEL 35011 - Tabelle con le sigle di designazione • CEI 20-13 - Norma di riferimento sui cavi • CEI 20-22 II - Norma non propagazione Incendi • CEI 20-52 • CEI 20-35 EN 60332-1-2 - Non propagazione della fiamma • CEI EN 50267-2-1 - Emissione gas corrosivi o alogenidrici • Direttive BT73/23 e 93/68 CE Bassa Tensione: 2006/95/CE 30
  31. 31. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 Come designare la formazione dei cavi negli unifilari e nelle planimetrie 31 4 x 1 x 35 PE16 4 linee (R, S, T, N) ogni linea è formata da 1 cavo ogni cavo è da 35 mm2 La terra di protezione (PE) è 16mm2 4 x 2 x 95 4 linee (R, S, T, N) ogni linea è formata da 2 cavi ogni cavo è da 95 mm2 la sezione equivalente di ogni linea è di 2x95=180 mm2 3x2x95+N1x1x95 idem ma con neutro ridotto a metà sezione (laddove il magnetotermico possiede la regolazione 0,5In)
  32. 32. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni - Ing. Pasquale Alba 2016 ESERCITAZIONI • Calcolare magnetotermico o fusibili, salvamotore e la formazione dei cavi per posa interrata, idonei ad alimentare un carico trifase di 13 kW con cos 𝜙=0,8 ad una distanza di 200 m rispettando i limiti su portata dei cavi e cadute di tensione. • Elencare gli attrezzi e gli strumenti necessari per eseguire l’installazione di cavi, magnetotermici o fusibili e salvamotori di cui al punto precedente. 32
  33. 33. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione e Manutenzione - Ing. Pasquale Alba Credits Riconoscimenti Si ringraziano per immagini e informazioni tecniche: • CEI UNEL • TERNA • Prysmian • tutti coloro che hanno reso disponibili su Internet informazioni qui riportate 33 La presente dispensa a scopo didattico contiene sia contenuto originale dell’autore che contenuti reperiti su Internet. Tutti diritti sui contenuti reperiti, appartengono, ove coperti da copyright, ai rispettivi proprietari. Ove si ritenga esistano violazioni di copyright, imprecisioni o errori si prega di segnalarli a: ing.pasqualealba@gmail.com . Questo materiale può essere diffuso citando la fonte. In caso si voglia stampare si consiglia di usare un layout con 4 diapositive per ogni pagina. Le informazioni qui contenute sono ritenute accurate e hanno scopo di studio senza fini di lucro, tuttavia l’autore non esclude che siano presenti errori o imprecisioni e declina ogni responsabilità diretta o indiretta per danni a persone o cose derivanti da un eventuale loro uso a scopo professionale; chi ne fa uso se ne assume pienamente la responsabilità.

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