Perché i cavi elettrici aerei sono allentati sui pali e sulle torri?

Perché le linee elettriche aeree sono allentate sui pali e sulle torri di trasmissione?

Nell'era attuale di rapido avanzamento tecnologico, il trasporto di persone, merci e servizi è diventato significativamente più facile. La distanza geografica non è più un ostacolo formidabile. Proprio come queste entità tangibili possono essere trasportate efficientemente su lunghe distanze, l'elettricità deve essere trasmessa in ampie aree. Tuttavia, diversamente dalle merci fisiche, l'elettricità richiede un mezzo per il suo viaggio.

Potresti aver notato frequentemente che le linee di trasmissione sospese dai pali e dalle torri di trasmissione appaiono allentate, piuttosto che essere saldamente fissate. Questa vista spesso solleva la domanda: perché queste linee non sono fissate più saldamente?

In questa esplorazione, scopriremo i motivi dell'allentamento delle linee elettriche sui pali e la necessità del cedimento sia nelle linee di distribuzione che in quelle di trasmissione. Prima di approfondire le spiegazioni dettagliate, facciamo prima una rassegna di alcuni punti essenziali che miglioreranno la nostra comprensione di questo fenomeno ingegneristico elettrico.

Trasmissione di energia: principi, perdite e componenti

Fondamenti della trasmissione di energia

La potenza rappresenta il tasso al quale viene svolto un lavoro. Nel contesto dell'elettricità, il lavoro viene svolto quando l'energia elettrica attraversa una distanza. Di conseguenza, la potenza può essere definita come la quantità di energia fornita per unità di tempo. Per trasportare l'elettricità su lunghe distanze, le linee di trasmissione costituiscono il mezzo essenziale per questo trasferimento.

La potenza attiva, la componente della potenza elettrica che svolge un lavoro utile, è tipicamente misurata in watt. Quando si parla di trasmissione di energia, la trasmissione ad alta tensione è il metodo preferito per la conservazione dell'energia. Questo perché la corrente elettrica che scorre in un conduttore genera calore, che può essere altamente dannoso. Il calore causa il degrado delle linee elettriche nel tempo, portando a un usura prematura e a potenziali guasti. Per minimizzare le perdite di energia e preservare la potenza trasmessa, è più efficiente ridurre la quantità di corrente elettrica che scorre nelle linee aumentando la tensione. Questo approccio, noto come trasmissione di energia ad alta tensione, riduce efficacemente la potenza dissipata sotto forma di calore nelle linee di trasmissione.

Conduzione e perdite di potenza

Durante il processo di trasmissione di energia, parte della potenza elettrica viene inevitabilmente persa nell'ambiente circostante. Questo avviene principalmente perché le linee di trasmissione non sono completamente isolate, permettendo la dissipazione di calore e la fuoriuscita elettrica. Secondo la legge di Ohm, la resistenza (R) di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza (L). Di conseguenza, man mano che la lunghezza della linea di trasmissione aumenta, aumenta anche la sua resistenza. Inoltre, l'aria, che circonda le linee di trasmissione, è un cattivo conduttore e non è in grado di dissipare efficacemente il calore generato dalla corrente elettrica che scorre nelle linee.

Per mitigare questi problemi, le linee elettriche sono progettate con diametri maggiori. Questa scelta di progettazione si basa sul fatto che la resistenza (R) di un conduttore è inversamente proporzionale alla sua sezione trasversale. Aumentando il diametro del conduttore, la sua sezione trasversale aumenta, portando a una riduzione della resistenza. Questa diminuzione della resistenza, a sua volta, minimizza le perdite di potenza dovute alla generazione di calore nelle linee di trasmissione.

Cavi e fili elettrici

I cavi e i fili elettrici sono i conduttori attraverso i quali l'elettricità viaggia e sono prevalentemente realizzati in rame a causa della sua eccellente conduttività elettrica. Tuttavia, questi conduttori non sono composti da rame puro. Per migliorare le loro proprietà meccaniche, come forza e durata, il rame è legato con altri elementi. L'aggiunta di questi elementi non compromette la conduttività elettrica del rame. Al contrario, migliorano le caratteristiche meccaniche del conduttore, assicurando che possa sopportare le rigidezze dell'installazione e dell'operazione mantenendo la sua capacità di trasmettere l'elettricità in modo efficiente.

Legge di Joule del riscaldamento elettrico

In realtà, nessun metallo è veramente puro; la purezza di qualsiasi metallo è sempre inferiore al 100%. Di conseguenza, tutti i metalli possiedono una resistenza interna. Quando una corrente elettrica scorre in un conduttore, l'energia viene dissipata sotto forma di calore. La quantità di calore generato può essere calcolata utilizzando la legge di Joule del riscaldamento elettrico, che fornisce una comprensione fondamentale della relazione tra corrente elettrica, resistenza e generazione di calore nei circuiti elettrici.

Altre forme della Legge di Joule

Legge di Joule e l'impatto dei fattori ambientali sulle linee elettriche

Come indicato dalla legge di Joule del riscaldamento elettrico, il calore (P) generato dal flusso degli elettroni attraverso un conduttore è direttamente proporzionale alla resistenza (R), al tempo (t) e al quadrato della corrente I^2. Quando una corrente elettrica attraversa un conduttore, deve superare la resistenza all'interno del materiale. Questa resistenza agisce come un ostacolo al movimento degli elettroni, causando la dissipazione di energia sotto forma di calore nell'ambiente circostante.

L'influenza del clima e della temperatura sulle linee elettriche

La resistenza di un conduttore è significativamente influenzata dalla temperatura. Man mano che la temperatura del conduttore aumenta, aumenta anche la sua resistenza. Questo fenomeno si verifica perché le temperature elevate fanno sì che gli elettroni all'interno del conduttore acquisiscano ulteriore energia cinetica, risultando in un movimento più erratico e casuale. Questi elettroni energetici collidono frequentemente con gli atomi del materiale del conduttore, generando calore nel processo.

Il calore eccessivo generato da un conduttore può costituire una seria minaccia, potenzialmente causandone il fusione e portando a guasti del sistema. In condizioni di clima caldo, i conduttori si espandono a causa dell'espansione termica, causando il rilassamento dei cavi aerei. Al contrario, in condizioni di clima freddo, i conduttori si contraggono, il che può anche influire sulla loro integrità meccanica e sulle prestazioni elettriche.

Tensione nelle linee elettriche

La tensione è una forza che si sviluppa in un filo o cavo quando è sottoposto a due forze opposte. Nel caso delle linee elettriche aeree sospese tra pali o torri di trasmissione, la tensione è sempre presente. Se i cavi fossero stretti eccessivamente, la tensione aumenterebbe significativamente. Questa tensione elevata rende i cavi più vulnerabili ai danni, poiché anche piccole contrazioni o espansioni dovute a variazioni di temperatura o stress meccanici potrebbero causarne la rottura.

La necessità del cedimento nelle linee di distribuzione e di trasmissione

Il cedimento nelle linee di trasmissione è la curvatura visibile o il pendio dei cavi tra strutture di supporto come pali o torri. Questa curvatura è un risultato naturale degli effetti combinati del peso del filo e della tensione agente su di esso.

L'importanza delle linee elettriche aeree allentate e del cedimento nella trasmissione elettrica

Durante la trasmissione e la distribuzione di energia elettrica su lunghe distanze, la dissipazione di calore è una conseguenza inevitabile. La trasmissione ad alta tensione viene impiegata come misura strategica per minimizzare il calore generato all'interno dei conduttori. Questo perché, secondo i principi dell'ingegneria elettrica, ridurre la corrente (aumentando la tensione) diminuisce significativamente la potenza dissipata sotto forma di calore (secondo la legge di Joule P = I^2R). Inoltre, le condizioni climatiche e le fluttuazioni interne della temperatura dei cavi necessitano che le linee elettriche aeree siano installate con un certo grado di allentamento.

Se le linee elettriche fossero tese, una brusca ondata di freddo potrebbe causare la contrazione delle linee di trasmissione. Questa contrazione porterebbe a un aumento sostanziale della tensione all'interno dei cavi. La tensione elevata potrebbe causare danni gravi ai cavi, potenzialmente provocando interruzioni di energia, rischi per la sicurezza e costose riparazioni. Per evitare tali conseguenze negative, le linee elettriche sono deliberatamente installate con un po' di allentamento. Questo design consente ai cavi di contrarsi o espandersi con le variazioni di temperatura senza subire tensioni eccessive, proteggendo così l'integrità dell'infrastruttura elettrica.

Il cedimento, la curvatura verso il basso dei conduttori delle linee di trasmissione tra le strutture di supporto, non è solo una caratteristica estetica ma un componente obbligatorio e critico dei sistemi di trasmissione elettrica. Serve come protezione contro il sovrarriscaldamento fornendo spazio sufficiente per l'espansione dei cavi in condizioni di alta temperatura, riducendo la probabilità di resistenza eccessiva e successiva generazione di calore. Inoltre, il cedimento mitiga efficacemente la tensione all'interno dei cavi, impedendo loro di soccombere allo stress meccanico causato da fattori come variazioni di temperatura, carichi di vento e accumulo di ghiaccio.

In sostanza, il cedimento svolge un ruolo cruciale per garantire la sicurezza, l'affidabilità e la longevità dei sistemi di trasmissione elettrica. Mantenendo un livello ottimale di cedimento, gli ingegneri possono garantire il funzionamento liscio ed efficiente della rete, minimizzando il rischio di incidenti, interruzioni di energia e danni costosi all'infrastruttura. Questo equilibrio accurato tra tensione, temperatura e stress meccanico è essenziale per il successo continuo delle moderne reti di distribuzione elettrica.