La corda con portante ibrido 7x4,50 mm, 2 corone conci TAL

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
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
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
Kg/dm3
1,78
7,8
8,13
Carico rottura
daN/mm2
240
216
120
Allungamento
A rottura %
1,8
1,5
1,5
13500
20000
15000
Dilatazione termica
(1/°Cx10-6)
1,04
11,5
2,4
Resistenza a fatica*
0,80
0,45
0,35
Modulo elastico finale
daN/mm2
*(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
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
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 15.000 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
Diagramma sforzo-deformazione (Stress-strain)
su fune portante in fili compositi ibridi 7x3,00 mm
m
COMPORTAMENTO PERFETTAMENTE ELASTICO
6
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:
diametro esterno
(mm)
sezioni teoriche mm
7x4,50mm Fili composit ibridi (fibra carbonio + filati di vetro) + guaina di alluminio +2
corone di conci
( 12+18 ) TAL ( AT1 secondo norme IEC 62004 )
30,00
2
portante
fibra di carbonio + filati di vetro (Ibridi )
guaina alluminio
alluminio
conci TAL
lega alluminio
semicrudo
111,33
E= 5000
daN/mm
2
71,63
– 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
carico di rottura
- Ohm/km
0,054364
- daN
intero conduttore
modulo elastico finale
coefficiente di di
- daN/mm
latazione termica
2
Nucleo fili ibr
6525
- (1/°C)
)
15,55 x 10
22000
idi 7x4,50 + guaina alluminio
10170
-6
5,26 x 10
s olo portante F.C
13000
-6
1,034 x 10 - 6
7
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
Corda ACSR
Portante acciaio
(19x2,10 mm),
3 corone di fili
54x3,50mm
D=31,50mm
C
Corrente (A)
Inverno
Θa=10°C
Corda con 1 portante
Ibrido (7x4,50mm)
2 corone conci TAL
Corda con 1 portante
Ibrido (7x4,70mm)
2 corone conci TAL
Corda con portante
ACI 20SA
(19x3,25mm)
38 fili 3,75mm KTAL
D=30,00
Corrente (A)
D=31,00mm
Corrente (A)
D=31,25mm
Corrente (A)
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
35
616
368
614
-
640
382
554
-
90
1260
1076
1257
1075
1305
1116
1132
968
130
-
-
1521
1391
1581
1446
1371
1255
150
-
-
1630
1516
1696
1576
1470
1368
8
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
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
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
(1) Corda con
portante ibrido
7x4,50 mm
D. est =30,00
mm
(2) Corda tipo
ACSR
portante
acciaio
Dest=31,50mm
1 Rispetto a 2
1,745
1,953
-10,7 %
0,05436
0,05564
-3,6 %
6525
6800
-4,0%
-
-
18.000 con le
morse
16852
+6,8 %
Coefficiente dilataz.
medio
(1/°C x10-6)
15,2
19,4
-21,6 %
Coefficiente dilataz.
del nucleo
(1/°C x10-6)
5,3
11,5
-53,9%
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
Massa unitaria
Kg/m
Resistenza ohmica
Ω/Km a 20 C
Modulo elastico
medio finale
daN/mm2
Modulo elastico finale
nucleo portante
daN/mm2
(3) Differenza
portante è inferiore di oltre il 50%
•
e questo contiene le frecce della
campata dopo il Knee-point
(temperatura di trasferimento dello
sforzo).
Carico rottura
daN
11
CONFRONTO TRA LE FRECCE DELLE CAMPATE A PARITÀ DI TIRO
caratteristiche
Tiro
T/p
daN
Corda con portante ibrido
7X4,50 mm, 2 corone conci
TAL (12+16)
Corda ACSR , portante
acciaio 19x3,25 mm
3 corone 54x3,50 mm fili
Alluminio
Corda portante ACI120 SA
19x3,25 mm, 2 corone di
3 8x 3,75 mm fili KTAL (AT2)
Corda con portante ibrido
7x4,70 mm, 2 corone conci
TAL (12+18)
D.Est = 30,00 mm
D.Est = 31,5 mm
D.Est = 31,25 mm
D.Est = 31,00 mm
3539
3539
3539
3539
(19,7% Cr)
(21,0% Cr)
(13,6 % Cr)
(16,85 % Cr)
m
2030
1812
1580
1904
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 135 °
10,81
15,52
14,82
11,43
12
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
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 62004 )) 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
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
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
17
18
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
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 2020.
20
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
Grafico Cigre 273 relativo alla posizione delle corde in
relazione ai parametri di posa ed alle loro
caratteristiche.
22
GRAZIE!
23