Corde aeree per alto limite termico e con deformazioni ridotte con portanti in fili compositi ibridi a base carbonio

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1 Corde aeree per alto limite termico e con deformazioni ridotte con portanti in fili compositi ibridi a base carbonio confronto prestazioni con le corde tradizionali e quelle con portanti in invar GIORNATA DI STUDIO La rete elettrica di trasmissione nazionale e la sfida delle energie rinnovabili Firenze, 12 Aprile 2013 Relatori: Ing. Gianfranco Civili - Ing. Domenico Valori 1

2 PROBLEMI TECNOLOGICI RISOLTI. Si sono utilizzate fibre carbonio tipo PAN (polyacrilonitrile), con le quali si sono realizzati i fili compositi ibridi con uno strato esterno di filati di vetro ad alto modulo. Allo scopo di evitare corrosioni elettrolitiche (contatto tra fibre di carbonio e guaina di alluminio estrusa) è stato necessario realizzare questi fili compositi ibridi col nucleo interno formato da fibre di carbonio e quello esterno da filati di vetro; Tamponamento ermetico con grassi speciali non migranti della fune portante per evitare il decadimento della resina di compattazione al contatto con l eventuale ossigeno presente; Protezione della fune portante con guaina di alluminio estrusa plasticamente, che garantisca l ermeticità interna; Utilizzo di morse di ammarro e giunti di campata ermetici specialmente progettati assieme alla Gorla Morsetterie e collaudati sia presso l Istituto ERSE, sia in campo nell installazione della linea Moena - Cencenighe con la corda da 22,70 mm di diametro; Contenimento del punto di trasferimento dello sforzo (Knee-point) a basse temperature studiando l opportuno rapporto tra le masse; Θc = σc/ec.(αal- αc) + θa; Θc è la temperatura di trasferimento dello sforzo; σc è la sollecitazione unitaria media della corda in corrispondenza del Knee-point; Ec è il modulo elastico medio della corda; αal e αc sono i coefficienti di dilatazione dell alluminio e medio della corda; θa è la temperatura di assemblaggio della corda in fabbrica (di solito 15 C) 2

3 CONFRONTO CARATTERISTICHE MATERIALI Tabella di confronto tra caratteristiche dei fili compositi ibridi, acciaio ad alta resistenza meccanica e leghe acciaio-nichel-molibdeno (invar o dilaton) Fili compositi Ibridi Acciaio alta resistenza Leghe acciaio Nichel-molibdeno Densità 1,78 7,8 8,13 Kg/dm 3 Carico rottura dan/mm 2 Allungamento A rottura % 1,8 1,5 1,5 Modulo elastico finale dan/mm 2 Dilatazione termica (1/ Cx10-6 ) 1,04 11,5 2,4 Resistenza a fatica* 0,80 0,45 0,35 *(la resistenza a fatica è stata calcolata come rapporto tra la resistenza dopo un numero di cicli superiore a 10 7 e la resistenza statica) 3

4 PROVE SPERIMENTALI PRESSO I LABORATORI DELLA TRATOS CAVI, DELLA GORLA MORSETTERIE E DELL ISTITUTO RSE E RISULTATI RAGGIUNTI Sulla linea Moena-Cencenighe al passo San Pellegrino è installata da circa 2 anni la corda di diametro 22,70 mm con portante ibrido 7x3,30 mm, con risultati estremamente positivi (gli allungamenti permanenti sono sensibilmente inferiori a quelli delle corde tradizionali) 4

5 PROVE SPERIMENTALI PRESSO I LABORATORI DELLA TRATOS CAVI, DELLA GORLA MORSETTERIE E DELL ISTITUTO RSE E RISULTATI RAGGIUNTI cicli termici sino a -40 C del nucleo portante (fili compositi ibridi + guaina di alluminio) caricati col massimo sforzo; si sono sperimentati numerosi nuclei portanti formati da fili ibridi 7x3,00 mm; 7x3,30 mm ; 7x4,50 mm ed attualmente in corso 7x4,70 mm. Cicli termici sui nuclei tra -30 e +90 C con carico variabile tra 100 e 1800 dan; Prove stress strain e di knee-point sulle corde complete Ø 22,70 mm; 30,00 mm e 50,00mm, nonché sulle relative funi portanti nude (solo funi di fili compositi ibridi 7x3,00 mm e 7x4,50mm) e protette da guaina di alluminio, eseguiti presso i laboratori RSE; Comportamento perfettamente elastico della fune di fili ibridi (7x3,00mm) sottoposta a stress-strain con cicli di trazione sino a 30%; 50 %; 70%; 85% del carico di rottura. Il punto di knee-point si verifica per queste tipi di corde tra 25 e 40 C e comporta frecce ridotte in quanto la dilatazione è determinata dal solo nucleo portante; il Knee-point si verifica quando, per la differenza tra le dilatazioni medie della corda e del nucleo portante, tutto lo sforzo viene sostenuto dal solo nucleo portante. Prove d invecchiamento termico a diverse temperature per tempi lunghissimi (oltre ore) hanno permesso di tracciare le curve di Arrhenius, dalle quali si deduce una vita delle corde con portanti in fili compositi ibridi di 40 anni alla temperatura di esercizio continuativo di 150 C. 5

6 Diagramma sforzo-deformazione (Stress-strain) su fune portante in fili compositi ibridi 7x3,00 mm m COMPORTAMENTO PERFETTAMENTE ELASTICO 6

7 Corda per alto limite termico e con deformazioni ridotte agli alti carichi, con nucleo portante costituito da fune di 7 fili compositi ibridi (Fibra di carbonio+vetro; 7x4,50mm), tamponata e protetta da guaina di alluminio semicrudo, con due corone esterne di conci (12+18) in lega TAL; diametro esterno 30,00 mm. formazione: 7x4,50mm Fili composit ibridi (fibra carbonio + filati di vetro) + guaina di alluminio +2 corone di conci ( ) TAL ( AT1 secondo norme IEC ) diametro esterno 30,00 (mm) sezioni teoriche mm 2 portante fibra di carbonio + filati di vetro (Ibridi ) 111,33 guaina alluminio alluminio semicrudo E= 5000 dan/mm 2 71,63 conci TAL lega alluminio zirconio 471,03 se zione conduttrice totale 542,76 sezione totale meccanica 653,99 Masse teoriche portante FC + filati di vetro(ibridi) 0,19859 kg/m Guaina di alluminio semicrudo 0,19339 coro na conci ZTAL 1,31444 totale 1,7 448 ( con tamponanti e fasciature ) resistenza elettrica teorica a 20 C - Ohm/km 0, carico di rottura - dan intero conduttore Nucleo fili ibr idi 7x4,50 + guaina alluminio s olo portante F.C modulo elastico finale - dan/mm coefficiente di di latazione termica - (1/ C) 15,55 x ,26 x ,034 x

8 CONFRONTO TRA PORTATE DI CORRENTE FORMULE SHURIG E FRICK CON IRRAGGIAMENTO SOLARE Portate di corrente calcolate con le formule di Shurig e Frick con irraggiamento Solare Temperatura C Corda ACSR Portante acciaio (19x2,10 mm), 3 corone di fili 54x3,50mm D=31,50mm Corrente (A) Corda con 1 portante Ibrido (7x4,50mm) 2 corone conci TAL D=30,00 Corrente (A) Corda con 1 portante Ibrido (7x4,70mm) 2 corone conci TAL D=31,00mm Corrente (A) Corda con portante ACI 20SA (19x3,25mm) 38 fili 3,75mm KTAL D=31,25mm Corrente (A) Inverno Θa=10 C Estate Θa=30 C Inverno Θa=10 C Estate Θa=30 C Inverno Θa=10 C Estate Θa=30 C Inverno Θa=10 C Estate Θa=30 C

9 CONFRONTO TRA LE PORTATE DI CORRENTE La corda con portante ibrido 7x4,50 mm, D.est =30,00 mm, ha una portata di corrente in esercizio continuo per 40 anni superiore a quella della corda tradizionale ACSR, D.est =31,50 mm, di circa il 40 % in estate; La stessa corda ha una portata superiore rispetto a quella con portante in ACI (aluminium clad invar), D.est =31,25 mm, di circa il 10 %; Ulteriori vantaggi, quali quelli di ridurre l effetto corona, si possono ottenere aumentando leggermente il diametro dei fili ibridi del portante da 4,50 a 4,70mm, e aumentando il diametro esterno della corda da 30,00 a 31,50 mm pur mantenendo la massa unitaria contenuta. 9

10 CORDA PER ALTO LIMITE TERMICO e CON DILATAZIONI RIDOTTE, CON PORTANTE IN FILI COMPOSITI IBRIDI A BASE CARBONIO 7X4,50mm, 2 CORONE DI CONCI (12+16) IN LEGA TAL (AT1 secondo IEC 62004); DIAMETRO ESTERNO 30,00 mm 10

11 CONFRONTO TRA LA CORDA CON PORTANTE IBRIDO 7X4,50 mm, 2 CORONE CONCI TAL, DIAMETRO 30,00 mm, e LA CORDA TRADIZIONALE CON PORTANTE IN ACCIAIO 19X2,10 mm, 3 CORONE DI 54 FILI AL (54X3,50 mm ), DIAMETRO 31,50 mm Le caratteristiche della corda proposta sono nettamente migliori rispetto alla corda attualmente installata tipo ACSR; La massa è inferiore del 10,7% e ciò nonostante la resistenza ohmica è ancora inferiore del 3,6 %; Il coefficiente di dilatazione è inferiore di oltre il 21 %; Il coefficiente di dilatazione del portante è inferiore di oltre il 50% e questo contiene le frecce della campata dopo il Knee-point (temperatura di trasferimento dello sforzo). Massa unitaria Kg/m (1) Corda con portante ibrido 7x4,50 mm D. est =30,00 mm (2) Corda tipo ACSR portante acciaio Dest=31,50mm (3) Differenza 1 Rispetto a 2 1,745 1,953-10,7 % Resistenza ohmica Ω/Km a 20 C 0, , ,6 % Modulo elastico medio finale ,0% dan/mm 2 Modulo elastico finale nucleo portante dan/mm 2 Carico rottura dan Coefficiente dilataz. medio (1/ C x10-6 ) Coefficiente dilataz. del nucleo (1/ C x10-6 ) con le morse ,8 % 15,2 19,4-21,6 % 5,3 11,5-53,9% 11

12 CONFRONTO TRA LE FRECCE DELLE CAMPATE A PARITÀ DI TIRO caratteristiche Corda con portante ibrido 7X4,50 mm, 2 corone conci TAL (12+16) D.Est = 30,00 mm Corda ACSR, portante acciaio 19x3,25 mm 3 corone 54x3,50 mm fili Alluminio D.Est = 31,5 mm Corda portante ACI120 SA 19x3,25 mm, 2 corone di 3 8x 3,75 mm fili KTAL (AT2) D.Est = 31,25 mm Corda con portante ibrido 7x4,70 mm, 2 corone conci TAL (12+18) D.Est = 31,00 mm Tiro dan 3539 (19,7% Cr) 3539 (21,0% Cr) 3539 (13,6 % Cr) 3539 (16,85 % Cr) T/p m Knee-point C 59,1 173,8 88,7 56,6 Frecce a 15 C 9,57 10,83 12,42 10,30 Frecce a 75 C 10,24 13,31 14,10 10,94 Frecce a 95 C 10,43 14,07 14,51 11,10 Frecce a 105 C 10,52 14,44 14,59 11,19 Frecce a 115 C 10,62 14,81 14,66 11,27 Frecce a 125 C 10,71 15,17 14,74 11,35 Frecce a ,81 15,52 14,82 11,43 12

13 CONFRONTO TRA LE FRECCE DELLE CAMPATE Il confronto è stato istituito a parità di tiro tra tutte le corde e prendendo a riferimento quello della corda ACSR, portante acciaio, che viene installata con un tiro pari al 21 % di UTS, pari a 3539 dan, corrispondente al parametro T/p=1812 m; La corda più adatta a sostituire dal punto di vista delle frecce si dimostra quella con portante ibrido 7x4,50 mm, D.est=30,00 mm, che massa unitaria inferiore a tutte le altre e quindi frecce minori; Le frecce a 95 C della corda portante ibrido, D.est =30,00 mm sono inferiori a quelle della corda tradizionale tipo ACSR, portante acciaio di circa il 25 %(oltre 4 metri ) ; Nel grafico del Cigre 273 si può controllare che sia la corda con portante ibrido 7x4,50 mm, D.est =30,00 mm, sia la corda tradizionale ACSR, portante acciaio, D.est =31,50 mm, si trovano nella safe design zone, ciò che invece non accade per la corda con portante in ACI, D.est = 1,25 mm, che si trova nella special application zone ; Il campo magnetico a livello del suolo si riduce fortemente con la diminuzione delle frecce, variando col quadrato della distanza. 13

14 MORSE DI AMMARRO ED ACCESSORI La Ditta Gorla Morsetterie ha studiato e progettato in stretta collaborazione con Tratos Cavi le morse di ammarro, quelle di sospensione, i giunti di campata e gli smorzatori Stock-bridge; Sono state sperimentati diversi tipi di morse di ammarro: a compressione, preformate, di tipo misto a cuneo componibile; Nelle diapositive che seguono sono riportati i disegni delle morse di ammarro ermetiche a compressione per la corda di diametro 50,00 mm (3 portanti ibridi cordati assieme 3x(7x4,50 mm), 2 corone (24+30) conci TAL (AT1 secondo norme IEC )) e per la corda con portante in fili compositi ibridi 7x4,50 mm, tamponati e protetti da guaina di alluminio, con 2 corone (12+16) di conci TAL (AT1 secondo norme IEC 62004), diametro esterno 30,00 mm. 14

15 MORSA DI AMMARRO ED ACCESSORI PER CORDA DIAMETRO 50,00 mm 3 PORTANTI IBRIDI 3X(7X4,50 mm) 2 CORONE (24+30) di CONCI TAL (AT1) 15

16 Morsa di ammarro per corda D=30,00mm, portante ibrido 7x4,50 mm, 2 corone di conci (12+16 ) in lega TAL ( AT1 )16 16

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19 BREVETTI Sono stati depositati i seguenti brevetti Il 20/02/2008 Corda per linee elettriche e procedimento per la sua realizzazione con portanti compositi ibridi a base carbonio ; Il 29/10/2008 congiuntamente con Gorla Morsetterie Morsa di ammarro per corda per linee elettriche ; Il 22 Luglio 2010 Corda per linee aeree ad alta tensione con alto limite termico e 3 portanti, riferito al prototipo della corda per la linea La Spezia - Vignole Borbera ; Il 22 Luglio 2010 Morsa di ammarro perfezionata per condizioni estreme, riferita ad un portante triplo, costituito da 3 nuclei singoli cordati, ognuno dei quali costituito da fune di fili compositi ibridi tamponata e protetta da guaina di alluminio estrusa. 19

20 CONCLUSIONI La corda con portante ibrido 7x4,50 mm, 2 corone conci TAL (AT1), diametro esterno 30,00 mm è la più adatta a sostituire la corda tradizionale tipo ACSR, portante acciaio, diametro 31,50 mm, per i seguenti motivi; Massa unitaria sensibilmente inferiore alla corda ACSR D =31,50 mm ed alle altre confrontate; Resistenza ohmica inferiore sia a quella della corda ACSR con portante acciaio, sia a quella della corda portante ACI.; Frecce delle campate a parità di tiro sui tralicci nettamente inferiori quelle di tutte le altre corde paragonate; Portate di corrente superiori a quelle delle altre corde confrontate; Campo magnetico ridotto a livello del suolo inferiore a parità di corrente; Vita in servizio continuativo a 150 C per 40 anni. I costi delle materie prime sono sullo stesso livello di quelli delle corde con portanti in ACI (aluminium clad Invar), ma ancora superiori a quelli delle corde tipo ACSR con portanti in acciaio; ma i prezzi dei fili compositi ibridi tendono a diminuire, tanto che si prevede la sostituzione di tutto l acciaio nelle corde aeree nude entro l anno

21 Grafico Cigre 273 relativo alla posizione delle corde in relazione ai parametri di posa ed alle loro caratteristiche Il grafico sottoriportato si riferisce ad un tiro di 3539 dan pari al 21% del carico di rottura della corda ACSR φ 31,5 mm. FC 31.0 mm Campata 400 m ACSR 31.5 mm Campata 400 m 21

22 Grafico Cigre 273 relativo alla posizione delle corde in relazione ai parametri di posa ed alle loro caratteristiche. 22

23 GRAZIE! 23