Gestione del calore nelle installazioni sotterranee di cavi elettrici

La domanda di energia elettrica in tutto il mondo sta aumentando e i servizi di pubblica utilità, i fornitori di servizi e i proprietari di reti stanno investendo nell’espansione e nella sicurezza della rete. Questo aumento della domanda è guidato da diversi fattori, tra cui la necessità di elettricità più affidabile, nuove fonti di produzione di energia elettrica come l’energia rinnovabile, la crescita dei veicoli elettrici (EV), l’aumento dell’estrazione di valuta virtuale, la proliferazione dei data center, la migrazione delle popolazioni rurali in molti paesi in via di sviluppo alle aree urbane e la necessità di proteggere le infrastrutture da danni ambientali. Sempre più, questi sistemi si stanno spostando in installazioni sotterranee che utilizzano sistemi di condotti (condotti, tubi) piuttosto che l’interramento diretto. Sebbene storicamente l’interramento dei cavi nei condotti sia stato percepito come più costoso e meno pratico, esiste una tendenza crescente a passare ai sistemi canalizzati a causa dei vantaggi economici, operativi e di sicurezza a lungo termine. In particolare, la costruzione dell’infrastruttura per i sistemi canalizzati fornisce un quadro pronto al futuro per mantenere, monitorare e aggiornare in modo più efficiente i sistemi di cavi.

Questo passaggio ai sistemi canalizzati pone inoltre nuove sfide per alcuni, in particolare nella gestione del calore generato dalla resistenza elettrica nei conduttori. Alcuni ingegneri dei servizi pubblici, consulenti di progettazione, produttori e appaltatori di installazioni di cavi stanno cercando di comprendere meglio come gli effetti negativi del calore generato nei cavi sotterranei possano essere quantificati e gestiti meglio per ridurne l’impatto sulle prestazioni della rete elettrica e sull’ambiente.

La progettazione di sistemi sotterranei che gestiscono in modo inadeguato il calore può ridurre la capacità dei cavi, ridurre la durata di servizio e aumentare i costi. Tuttavia, ci sono innumerevoli sistemi di cavi canalizzati in tutto il mondo che funzionano in modo affidabile nonostante il fattore calore. Per vedere quanti stanno affrontando le proprietà termiche dei cavi canalizzati nella progettazione e nella pratica, Polywater ha riunito un piccolo gruppo di esperti per discutere l’argomento della generazione e della dissipazione del calore nei cavi elettrici e della gestione del calore per nuove pratiche di installazione di cavi sotterranei.

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Comprendere il comportamento termico nella progettazione del sistema di cavi sotterranei

I cavi elettrici possono generare calore sostanziale mentre la corrente elettrica scorre attraverso di loro. Questo calore, causato dalla resistenza elettrica nel conduttore, è noto come riscaldamento Joule e rappresenta energia persa. Quanto maggiore è la corrente o la resistenza, tanto più calore viene generato, riducendo l’efficienza e aumentando i costi operativi sia per le aziende di servizi pubblici che per gli utenti finali.

Le installazioni di cavi sotterranei possono essere soggette a sfide legate al calore a causa della natura isolante del terreno e dell’ambiente ristretto. Nei cavi interrati direttamente, la guaina entra a contatto direttamente con il terreno circostante. Al contrario, i sistemi canalizzati introducono un’interfaccia aggiuntiva per il trasferimento di calore, la parete del condotto, che in genere ha una superficie esterna più grande. I sistemi di cavi condotti possono potenzialmente dissipare il calore in modo più efficiente a causa della maggiore superficie esterna del condotto che ha aumentato la zona di contatto con il terreno.

Tuttavia, sia le installazioni a interramento diretto che quelle canalizzate possono avere limitazioni in quanto dissipano bene il calore, soprattutto in ambienti con scarsa conduttività termica. Questa bassa diffusione del calore provoca l’aumento delle temperature dei cavi, che possono degradare l’isolamento, ridurre la durata del cavo e ridurre la capacità di trasporto corrente.

Come spiega Marius Engebrethsen, Project Manager presso REN, un think tank norvegese dell’ingegneria, “È per questo che ci preoccupiamo così tanto del calore. Spesso è il fattore limitante di quanta corrente si può trasportare attraverso il sistema. Troppo calore può accelerare il processo di degradazione. È fondamentale gestirlo durante la progettazione del sistema.”

Una gestione efficace del calore inizia con la comprensione di come si muove attraverso il sistema. I conduttori dei cavi, l’isolamento, gli schermi, le guaine, i condotti, gli spazi d’aria, il riempimento e il terreno hanno tutte diverse resistività termiche. Questi materiali influenzano quanto bene il calore si dissipa dal nucleo del cavo verso l’esterno. Per valutare con precisione questo comportamento, è necessaria un’analisi termica, solitamente utilizzando standard industriali, software specializzati o entrambi.

“L’uso principale del software”, afferma Engebrethsen, “è quello di progettare installazioni di cavi sotterranei. È possibile disegnare la disposizione della trincea, eseguire calcoli avanzati e analizzare come il calore si accumula e si diffonde, anche come si comportano i campi magnetici. Ciò consente agli ingegneri di dimensionare il cavo e ottimizzare la capacità di carico.”

Marcel den Haan di Grid Design Solutions e Business Development di Grøft Design® spiega ulteriormente: “È necessario comprendere il carico massimo sul cavo in modo da poter regolare variabili come il diametro del cavo, il carico o l’aria circostante. Si monitora ciò che accade attorno e sopra il cavo per vedere fin dove si può andare.”

Uno dei fattori più influenti nella dissipazione del calore è la composizione del terreno. La capacità del suolo di trattenere l’umidità, fondamentale per la conduttività termica, dipende dalla sua granularità e dalla struttura dei pori. I terreni a grana fine come l’argilla mantengono bene l’acqua a causa dell’azione capillare, mentre i terreni grossolani come la sabbia drenano più velocemente, ma possono facilitare la migrazione verticale dell’umidità.

È importante: quando il cavo si riscalda, si asciuga il terreno circostante, formando una “zona asciutta” con minore conduttività termica. Il terreno o il riempimento con elevata ritenzione di umidità aiutano a mitigare la formazione di queste zone calde.

“Il terreno potrebbe non sembrare interessante per gli ingegneri elettrici”, afferma Engebrethsen, “ma è fondamentale per sviluppare una buona installazione di cavi. Si vogliono terreni con bassa resistività termica che possano trattenere l’umidità anche quando il cavo si riscalda.”

Anche la profondità di interramento dei cavi gioca un ruolo. Le installazioni più profonde aumentano la distanza che il calore deve percorrere per dissipare, riducendo la portata. Per tenere conto di queste variabili, vengono spesso eseguiti test completi sul terreno.

Jacco Smit di TenneT descrive il processo, “Facciamo un’indagine sul suolo lungo l’intero percorso. Se foriamo fino a 40 metri, analizziamo tutti gli strati presenti con le loro capacità termiche e ricalcoliamo a un nuovo valore di resistività termica nel suo complesso.”

Queste indagini aiutano a quantificare gli effetti delle condizioni del terreno sull’ampiezza dei cavi, sulla formazione di zone asciutte e sulla necessità di adattare il profilo termico di un’installazione.

Strategie per la gestione del calore nelle installazioni di cavi sotterranei

Dato l’impatto significativo che la generazione e la dissipazione del calore hanno sia sull’efficienza che sui costi dei sistemi di alimentazione sotterranei, è essenziale una gestione efficace del calore. Il calore non controllato può accelerare l’invecchiamento dei componenti dei cavi, ridurre la portata e aumentare il rischio di guasto. D’altro canto, la gestione del comportamento termico consente alle aziende di servizi di massimizzare la capacità di carico e l’affidabilità delle proprie reti.

Gli ingegneri dispongono di diversi strumenti a loro disposizione per controllare il calore nelle installazioni sotterranee. Questi includono un’attenta selezione di materiali, le dimensioni del conduttore, l’aumento della spaziatura dei cavi, l’ottimizzazione della profondità di sepoltura e le tecnologie di mitigazione termica. Come spiega Jacco Smit, Senior Advisor di Asset Management di TenneT, “Vogliamo sempre soddisfare la richiesta di connessione. Naturalmente ci saranno punti caldi, ma poi sceglieremo una sezione trasversale del conduttore più grande o modificheremo le proprietà termiche del terreno circostante, del condotto o dell’ingombro del condotto.”

Smit sottolinea che la progettazione termica inizia con la comprensione del carico richiesto del sistema. “Secondo me”, dice, “abbiamo l’obbligo di andare da A a B per trasportare una certa quantità di MVA o ampere attraverso la connessione, e troveremo la migliore misura per le dimensioni dei cavi e così via.”

Oltre ai parametri di progettazione di base, la gestione avanzata del calore può coinvolgere l’uso strategico dell’acqua del sottosuolo per aiutare la dissipazione del calore, l’incollaggio trasversale per ridurre le perdite della guaina e l’analisi localizzata degli effetti attuali della guaina. Nelle installazioni a lunga distanza, configurazioni di cavi come i trefoil (triangolari) vengono utilizzate per ridurre le interferenze magnetiche e mantenere l’equilibrio termico.

Smit punta anche alla perforazione orizzontale direzionale (HDD) come area in cui la gestione del calore diventa cruciale. “Ciò che abbiamo trovato attraverso la verifica del calcolo con il monitoraggio termico”, osserva, “è che durante l’HDD, si verificano picchi di temperatura nei punti di ingresso e uscita del foro. Il profilo di temperatura aumenta, scende al centro della perforazione e poi aumenta di nuovo dall’altro lato.”

Per mitigare questi punti caldi localizzati, è possibile attuare misure di ingegneria civile. “Attiamo azioni per ampliare i condotti nei punti di ingresso e uscita”, spiega Smit. “Ciò aiuta a distribuire la temperatura in modo più uniforme e a creare un migliore equilibrio termico.”
Questi esempi sottolineano che le preoccupazioni per il calore nei sistemi sotterranei, sebbene complesse, sono gestibili. Con una chiara comprensione della dinamica termica e le giuste strategie di progettazione e monitoraggio, le aziende di servizi possono muoversi con sicurezza verso l’interramento senza compromettere le prestazioni.

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Il ruolo degli standard nella gestione delle dinamiche termiche

Man mano che le installazioni di cavi sotterranei diventano più frequenti, comprendere e gestire la dinamica del calore è fondamentale per mantenere le prestazioni e la longevità del sistema. Sebbene gli strumenti di selezione, progettazione e analisi dei materiali aiutino gli ingegneri ad affrontare il calore a livello di progetto, gli standard e le linee guida internazionali forniscono un quadro condiviso per la modellazione e la gestione del comportamento termico nei sistemi di cavi elettrici.

Questi standard variano a seconda della regione, riflettendo fattori ambientali come la temperatura ambiente, le condizioni del terreno, le precipitazioni e i profili di carico. Come spiega Marius Engebrethsen di REN, lo standard IEC 60287 è uno dei più ampiamente utilizzati in Europa e a livello globale. “Si basa su metodi analitici”, afferma, “e viene comunemente utilizzato per generare calcoli pertinenti alla generazione e alla dissipazione del calore.”

Negli Stati Uniti, lo standard IEEE 835 funge da controparte. Combina sia approcci analitici che empirici, rendendosi utile per la modellazione non solo dei carichi allo stato stazionario, ma anche delle condizioni cicliche e di emergenza. Inoltre, Engebrethsen evidenzia la brochure tecnica TB880 del CIGRE, che incorpora l’analisi degli elementi finiti (FEA) e fornisce casi d’uso che consentono di confrontare il software di simulazione con scenari pratici.

Sebbene questi standard costituiscano una solida base, non sono privi di limitazioni. Ad esempio, IEC 60287 presume profili di carico costanti e utilizza tabelle di dati statiche, che possono essere obsolete o disallineate con le condizioni effettive sul campo. Ciò può portare a risultati inesatti in ambienti dinamici moderni.

Marcel den Haan di Grøft Design® sottolinea questa sfida: “Ci sono molte variazioni in cui devi essere più preciso di ciò che è nello standard. Anche quando lavori all’interno dello standard, devi comunque calcolare le parti più difficili. Se non lo fai, rischi di asciugare il terreno o di superare la temperatura massima del cavo.”

Alcuni standard ipotizzano anche profondità di interramento uniformi e proprietà omogenee del terreno, ipotesi che raramente sono vere nei progetti del mondo reale. Queste semplificazioni possono portare a una sottovalutazione o sopravvalutazione dei rischi legati al calore.

Oltre a IEC 60287 e IEEE 835, altri standard pertinenti includono IEC 60853-1 per le valutazioni della corrente ciclica e di emergenza, IEEE 835 per i calcoli della portata nei condotti e nelle canaline e l’articolo 310.15 (B) del NEC, che fornisce tabelle di portata e fattori di regolazione.

Man mano che il software di simulazione continua a progredire, offrendo una maggiore precisione e la capacità di tenere conto delle condizioni localizzate, alcuni limiti di questi standard saranno attenuati. Questa evoluzione consentirà ai progettisti e agli ingegneri di modellare con maggiore precisione i sistemi di cavi sotterranei e mettere a punto modelli per una dissipazione ottimale del calore, prolungando la durata dei cavi e migliorando le prestazioni generali della rete.

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Gestione termica in evoluzione nella progettazione del sistema di cavi sotterranei

L’installazione di cavi canalizzati interrati ha una storia che dura da più di un secolo in molte parti del mondo. Nel corso del tempo, le aziende di servizi energetici, i consulenti tecnici, gli appaltatori civili e i produttori hanno accumulato preziose conoscenze ed esperienza pratica. Queste lezioni, basate sia su successi che su sfide, hanno plasmato l’approccio attuale alla progettazione del sistema di cavi sotterranei. Tuttavia, persistono idee sbagliate su come gestire il calore nei sistemi di cavi canalizzati, spesso radicate in informazioni e pratiche obsolete.

Nei primi impianti di cavi canalizzati sotterranei, venivano comunemente utilizzati tubi contenenti amianto. Questo materiale era altamente resistente al fuoco e non conduttivo, ma era noto anche per le sue elevate proprietà isolanti dal calore. Per compensare il calore prodotto quando un cavo veniva installato in un condotto, la sua capacità attuale massima è stata ridotta utilizzando un fattore di de-rating universale. Tuttavia, con l’introduzione di guaine per cavi e materiali per condotti in plastica, questo fattore non riflette più con precisione le attuali condizioni termiche.

“L’influenza dei tubi sulla corrente consentita a lungo termine delle linee di cavi è diversa e non può essere descritta introducendo un fattore di correzione universale”, afferma Mikhail Dmitriev, consulente del sistema elettrico a Voltplace. “In molti casi, la posa di cavi in tubi non riduce la corrente consentita, al contrario la aumenta”, afferma Dmitriev.

La mancanza di comprensione per le caratteristiche termiche dei materiali di condotti e guaine più recenti ha, a volte, scoraggiato un uso più ampio delle installazioni canalizzate. Molte aziende di servizi pubblici sono passate automaticamente ai metodi a trincea aperta, supponendo di offrire una migliore dissipazione del calore e costi di costruzione inferiori. Anche se questa percezione è sempre più in discussione.

Un metodo utilizzato per gestire il calore prevede l’inondazione dei sistemi di cavi canalizzati con un impasto di argilla bentonitica. Inizialmente è stata applicata la bentonite per lubrificare il cavo durante l’installazione, ma è stata anche trovata utile per aiutare nella dissipazione del calore. Tuttavia, questo metodo di inondazione con la bentonite è caduto in disuso per diversi motivi.
In primo luogo, l’introduzione di lubrificanti a base d’acqua nella seconda metà del XX secolo si è dimostrata molto più efficace nel ridurre l’attrito durante il tiraggio dei cavi. Questi lubrificanti consentono di installare in sicurezza lunghezze di cavi maggiori su distanze maggiori.

In secondo luogo, si è scoperto che, nel tempo, l’argilla bentonitica ha causato il legame del cavo al condotto, rendendo estremamente difficile la rimozione o la sostituzione. In molti casi è stata necessaria la riparazione del condotto prima di poter installare nuovi cavi.

Nonostante ciò, l’argilla bentonitica viene ancora utilizzata in alcuni processi di installazione dei cavi canalizzati, soprattutto durante la perforazione orizzontale direzionale (HDD). In questo contesto, viene applicato attorno all’esterno del tubo per facilitare l’installazione del condotto. La consistenza viscosa dell’impasto aiuta anche a mantenere l’integrità del foro di perforazione supportandone le pareti e prevenendo il collasso durante la perforazione e l’installazione.

Indipendentemente dalle crescenti prove e dall’esperienza sul campo, in molte regioni persistono idee sbagliate sulla dissipazione del calore nei sistemi di cavi canalizzati. Questi malintesi rischiano di compromettere i numerosi vantaggi delle installazioni basate sui condotti, tra cui una maggiore protezione dai danni meccanici e dagli incendi, una maggiore affidabilità ed efficienza del sistema, una manutenzione semplificata e una localizzazione più rapida dei guasti e la disponibilità delle infrastrutture per futuri aggiornamenti.

Soprattutto, i sistemi canalizzati supportano la flessibilità a lungo termine necessaria per soddisfare le richieste di energia in rapida crescita. Molti ingegneri progettano ora i sistemi di condotti da utilizzare nel corso di diverse durate dei cavi.

“Specifichiamo una certa qualità del condotto quando abbiamo bisogno che il condotto venga utilizzato due volte”, afferma Jacco Smit di TenneT. “Quindi lo installiamo una volta e nel ciclo vitale di 50 anni del sistema di cavi, il cavo verrà estratto e in seguito verrà tirato un nuovo cavo.”

Smit aggiunge: “Teniamo anche conto del fatto che i conduttori saranno più grandi in futuro a causa del nuovo sviluppo dei cavi, quindi il condotto è abbastanza robusto e grande da avere una durata di vita di 100 anni.”
I progressi negli ultimi decenni nei materiali dei cavi e dei condotti, insieme a una migliore pianificazione e pratiche di installazione, hanno notevolmente migliorato le prestazioni termiche e la capacità di trasporto di corrente dei sistemi sotterranei.

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Conclusione

Man mano che le installazioni di cavi canalizzati sotterranei aumentano per soddisfare le crescenti richieste di energia, è essenziale una solida comprensione della termodinamica. Tutti i cavi di alimentazione generano calore e quando quel calore non è dissipato correttamente, può compromettere sia l’efficienza che la durata dei sistemi di media e alta tensione. Per mantenere un servizio affidabile e massimizzare la capacità di trasporto corrente, il calore deve essere attentamente previsto e gestito.

L’ottimizzazione delle prestazioni termiche dipende da diversi fattori: dalla progettazione del sistema e dalla selezione dei materiali alla modellazione accurata e al rispetto degli standard. La consapevolezza di come questi elementi interagiscono, insieme alla capacità di applicare e interpretare i calcoli termici, è fondamentale per una pianificazione del progetto di successo.

Avanzando la comprensione dei fattori termici nelle reti di cavi canalizzati sotterranei e implementando strategie di gestione del calore, le aziende di servizi aprono la porta ai numerosi vantaggi economici, operativi e ambientali a lungo termine che le reti elettriche sotterranee forniscono.

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