Come calcolare la dimensione del cavo: una guida passo passo per i progetti elettrici

Chiedi a qualsiasi ingegnere elettrico esperto e sentirai la stessa cosa: il dimensionamento dei cavi non è una formula ma una breve catena di controlli, e ogni anello di quella catena deve resistere. Se si ottiene la corrente giusta, ma si ignorano i fattori di declassamento, il conduttore si surriscalda più di quanto il suo isolamento sia mai stato progettato. Se si ottiene l'intensità giusta, ma si ignora la caduta di tensione, il motore all'estremità della linea si rifiuterà di avviarsi. Salta il controllo del cortocircuito e l'installazione si trova a un passo dal verificarsi di un incidente grave.

Il metodo seguente segue la sequenza utilizzata dai nostri ingegneri quando esaminano un progetto: progettare prima la corrente, quindi il coordinamento con il dispositivo di protezione, quindi la capacità di trasporto di corrente, quindi la caduta di tensione, quindi la resistenza al cortocircuito. Esegui i passaggi in ordine e la sezione trasversale corretta verrà quasi scelta da sola.

Prima di iniziare: raccogli gli input

Quasi ogni ritardo nell'esercizio di dimensionamento di un cavo è riconducibile a un input mancante. Raccogli questi prima di aprire una tabella:

• Dati di carico: potenza in kW o kVA, fattore di potenza, efficienza, ciclo di lavoro e simultaneità.
• Dati del sistema: tensione nominale, numero di fasi, frequenza e se la fornitura è TN, TT o IT.
• Dati di protezione: tipo e taglia dell'interruttore o del fusibile e sue caratteristiche di intervento.
• Metodo di installazione: multipolare o unipolare, su passerella, in condotto, agganciato direttamente, in aria libera o interrato.
• Ambiente: temperatura dell'aria ambiente, temperatura del suolo e resistività termica, profondità di sepoltura e quanti circuiti condividono il percorso.
• Dati del percorso: lunghezza in metri del solo andata, più eventuali prolungamenti futuri già previsti.
• Dati di guasto: corrente di cortocircuito presunta all'origine e tempo di disconnessione richiesto.

Annotare i valori. Un foglio di dimensionamento che mostra i suoi input può essere rivisto in pochi minuti; uno che non lo fa sarà sempre messo in discussione.

Passaggio 1: calcolare la corrente di progetto (Ib)

La corrente di progetto è la corrente che il cavo trasporterà in servizio normale. Per un carico trifase:

Ib = P / (√3 × U × cos φ)

e per un carico monofase:

Ib = P / (U × cos φ)

Un rapido esempio: un carico trifase da 90 kW su un'alimentazione di 400 V con un fattore di potenza di 0,85 assorbe 90.000 / (1,732 × 400 × 0,85) = 153A. Quel singolo numero pone le basi per tutto ciò che segue, perché il dispositivo di protezione deve essere almeno così grande e il cavo deve essere almeno così capace.

Vale la pena ricordare due precisazioni. La corrente di avviamento del motore non modifica la corrente continua di progetto, ma influenza la scelta della protezione e il controllo della caduta di tensione. E nelle installazioni con un elevato contenuto armonico, come uffici pieni di carichi elettronici o un impianto pieno di azionamenti, potrebbe essere necessario dimensionare il conduttore neutro per una corrente maggiore della corrente di fase anziché inferiore.

Passaggio 2: coordinare il cavo con il dispositivo di protezione

Un cavo è protetto solo se il dispositivo davanti ad esso si disconnette prima che l'isolamento venga danneggiato. In pratica ciò significa che devono essere soddisfatte contemporaneamente due condizioni:

Ib ≤ In ≤ Iz

dove Ib è la corrente di progetto, In è la potenza nominale del dispositivo di protezione e Iz è la capacità di trasporto di corrente corretta del cavo. Una seconda condizione, I2 ≤ 1,45 × Iz, conferma che il dispositivo funzionerà effettivamente alla corrente di intervento convenzionale senza surriscaldare il conduttore.

La conseguenza pratica è semplice. Se la corrente calcolata è 153 A, non si sceglie un interruttore da 200 A e poi si cerca un cavo abbastanza grande da adattarlo; scegli la valutazione standard più piccola sopra il carico, che qui è 160A, e dimensiona il cavo rispetto a quella cifra.

Passaggio 3: trovare la capacità di trasporto di corrente di base

Le tabelle della capacità di trasporto di corrente, prese da IEC 60364-5-52, BS 7671 o dal catalogo di un produttore, sono costruite attorno a un insieme definito di condizioni: una temperatura ambiente di riferimento, un metodo di installazione dichiarato, un numero definito di conduttori caricati e un singolo circuito. Trova la riga che corrisponde alla tua sezione trasversale e la colonna che corrisponde alla tua installazione.

Tre scelte dominano il risultato. Il materiale del conduttore è importante, perché l'alluminio necessita di circa una volta e mezza la sezione trasversale del rame per la stessa corrente. L'isolamento è importante, perché un cavo XLPE può funzionare con un conduttore a 90 °C mentre un cavo in PVC è limitato a 70 °C. E il metodo di installazione è estremamente importante, poiché un cavo agganciato all'aria libera disperde calore molto più facilmente rispetto allo stesso cavo inserito in un condotto affollato.

È qui che un vero catalogo diventa davvero utile, perché il divario tra i tipi di isolamento non è un errore di arrotondamento. Un cavo di alimentazione isolato XLPE da 6/1 kV trasporta notevolmente più corrente di un equivalente in PVC della stessa sezione trasversale in rame, semplicemente perché il suo isolamento tollera una temperatura del conduttore più elevata.

Cavo di alimentazione isolato XLPE con tensione nominale 0,6/1 kV Il cavo di alimentazione isolato in polietilene reticolato con tensione nominale 0,6/1 kV adotta metodi chimici o fisici per trasformare le molecole di polietilene da una struttura lineare... Visualizza il prodotto →

Passaggio 4: applicare i fattori di correzione

Le installazioni reali non corrispondono mai alle condizioni di riferimento di una tabella, quindi la capacità di base deve essere ridotta. I fattori si moltiplicano tra loro:

Iz = It × Ca × Cg × Cs × CD

Se la capacità declassata risulta inferiore al valore nominale del dispositivo di protezione, spostarsi verso l'alto di una sezione trasversale e ripetere il calcolo. È normale che un cavo superi il controllo corrente solo dopo due o tre tentativi.

Passaggio 5: controllare la caduta di tensione

Un cavo che trasporta la corrente potrebbe essere ancora troppo piccolo per il percorso. La caduta di tensione aumenta sia con la corrente che con la lunghezza, ed è il controllo che più spesso forza una sezione trasversale maggiore su alimentatori lunghi.

Caduta di tensione = (mV/A/m × Ib × L) / 1000

Per un circuito trifase il valore mV/A/m tabellato comprende già il fattore √3. I limiti tipici sono del 3% per i circuiti di illuminazione e del 5% per i circuiti di potenza, misurati dall'origine dell'installazione ai terminali del carico, con il margine condiviso tra l'alimentatore e il circuito finale.

Prendiamo un conduttore di rame da 70 mm² che trasporta 160 A su 80 m. La sua caduta trifase è di circa 0,58 mV/A/m, quindi la perdita è 0,58 × 160 × 80 / 1000 = 7,4 V, o 1,9 % di 400 V, che è comodamente entro il limite. Se invece il percorso fosse stato di 300 m, lo stesso calcolo avrebbe prodotto 27,8 V e avrebbe costretto ad un aumento di sezione.

Passaggio 6: verificare la resistenza al cortocircuito

Durante un guasto, il conduttore trasporta una corrente molte volte superiore alla sua portata normale e deve sopravvivere abbastanza a lungo affinché la protezione possa eliminare il guasto. La verifica adiabatica è l’approccio standard:

S ≥ (I × √t) / k

Qui I è la corrente di guasto presunta in ampere, t è il tempo di disconnessione in secondi e k è una costante che dipende dal materiale del conduttore e dal suo isolamento. Per i conduttori in rame, k è tipicamente 143 con isolamento XLPE e 115 con PVC, mentre i conduttori in alluminio utilizzano valori inferiori. Un guasto da 20 kA risolto in 0,2 s richiede 20.000 × 0,447 / 143 = 62,5 mm² di rame, motivo per cui a volte è il controllo del cortocircuito, piuttosto che quello della corrente, a decidere la dimensione finale.

Il conduttore di protezione merita la stessa attenzione. Deve resistere alla stessa energia di guasto e deve essere dimensionato in modo che l'impedenza dell'anello di guasto a terra consenta al dispositivo di intervenire entro il tempo consentito.

Un esempio pratico

Metti insieme i sei passaggi per una partenza motore da 90 kW su un sistema da 400 V con un fattore di potenza di 0,85, posata per 80 m su un vassoio in aria a 40 °C con accanto altri due circuiti caricati.

La risposta è un cavo XLPE in rame a quattro conduttori da 70 mm². Notare quale passaggio imposta la dimensione: 70 mm² erano necessari per trasportare 160 A dopo il declassamento, e capita anche di soddisfare il controllo adiabatico con solo un piccolo margine. Riduci il raggruppamento o la temperatura ambiente e quel margine scompare.

Dove il dimensionamento dei cavi di solito va storto

• Dimensionamento sul carico nominale ignorando diversità, capacità inutilizzata o espansione futura.
• Utilizzando una tabella basata su 30 °C quando il locale tecnico funziona a 45 °C.
• Ignorando il raggruppamento, anche se tre circuiti su un vassoio declassano un cavo molto più di quanto la maggior parte delle persone si aspetti.
• Lettura di una colonna in PVC per un cavo XLPE o viceversa.
• Controllo della caduta di tensione sul primo carico del circuito anziché sull'ultimo.
• Dimenticando che il neutro può trasportare correnti armoniche nei circuiti trifase a quattro fili.
• Considerare il controllo del cortocircuito come facoltativo su tirature brevi, dove spesso rappresenta il fattore decisivo.

Due casi che necessitano di particolare attenzione

Alimentatori di media tensione

Da 3,6/6 kV fino a 26/35 kV la logica rimane la stessa, ma si aggiungono al calcolo lo spessore dell'isolamento, la costruzione dello schermo e la messa a terra della guaina metallica. Lo schermo metallico deve soddisfare il proprio dovere di cortocircuito e la disposizione di terra influisce sia sul livello di guasto che sul comportamento termico del cavo. Taglia a Cavo di alimentazione isolato XLPE 26/35 kV significa quindi verificare gli stessi limiti con una serie aggiuntiva di condizioni di schermatura e messa a terra allegate.

Cavo di alimentazione isolato XLPE con tensione nominale 3,6/6 kV–26/35 kV Il cavo di alimentazione isolato in polietilene reticolato con tensione nominale 3,6/6 kV–26/35 kV adotta un processo di reticolazione avanzato. Attraverso metodi chimici o fisici, polie... Visualizza il prodotto →

Circuiti di azionamento a frequenza variabile

Gli azionamenti spingono correnti armoniche e impulsi di tensione veloci attraverso il cavo, quindi la corrente calcolata dalla targhetta del motore non è la corrente effettivamente percepita dal cavo. Un cavo di azionamento dedicato con una struttura a tre conduttori simmetrica e uno schermo adeguatamente incollato mantiene tali correnti sotto controllo e riduce le interferenze elettromagnetiche sui circuiti vicini. Laddove siano coinvolti cavi motore lunghi, i limiti di lunghezza dei cavi stabiliti dal produttore dell'azionamento devono essere considerati come parte dell'esercizio di dimensionamento.

Cavo di azionamento a frequenza variabile (tensione nominale fino a 6 kV) Panoramica del prodotto I cavi del trasformatore di frequenza (comunemente noti come cavi VFD) sono linee di trasmissione di potenza progettate specificatamente per i convertitori di frequenza industriali... Visualizza il prodotto →

Dal calcolo a un cavo di cui ti puoi fidare

L'aritmetica non è difficile. La difficoltà sta nei numeri che inserite, ovvero la temperatura ambiente, il raggruppamento, il livello di faglia e la lunghezza del percorso, e nel sapere quale norma regola il progetto.

Wuxi Guanghuan Cable Co., Ltd. produce cavi a Guanlin, Yixing dal 1998, con oltre 100 varietà di prodotti e circa 30.000 specifiche, dal cablaggio da 450/750 V ai cavi di alimentazione XLPE da 26/35 kV, con gestione della qualità certificata ISO 9001 e prodotti approvati da TUV Rheinland. Ogni ordine inizia con una conversazione sul dimensionamento, perché il cavo più economico è quello giusto la prima volta. Inviaci il carico, il percorso e l'ambiente e i nostri ingegneri ti restituiranno una raccomandazione dimensionale con i fattori di declassamento mostrati per intero. Una rapida occhiata la nostra fabbrica mostra come questi cavi vengono prodotti, testati e preparati per la consegna.

Se desideri approfondire ulteriormente il modo in cui le prestazioni del prodotto interagiscono con le taglie, il nostro articolo sui fattori chiave da considerare nella scelta dei cavi di alimentazione è un utile complemento a questa guida.