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Per qualsiasi progetto di linea di trasmissione la classe di tensione determina molto di più di una semplice serie di numeri su una targhetta. Innescare una reazione a catena che parte dalle distanze elettriche di sicurezza, passa attraverso la geometria della torre e arriva fino alla scelta del tipo di acciaio e al costo di una singola torre. Scalare una struttura da 10 kV a 1000 kV non è mai una questione di semplice ingrandimento. Comprendere come la tensione influenzi la scelta dell’acciaio è essenziale per i contraenti EPC e i team di approvvigionamento che necessitano di preventivi accurati e prestazioni affidabili.
Mappatura della scala delle tensioni
Il sistema di trasmissione aereo è comunemente suddiviso in quattro livelli. La fascia 10–35 kV appartiene alle reti di distribuzione che servono carichi urbani e rurali. La fascia 110–220 kV è la trasmissione ad alta tensione, ossia la spina dorsale delle reti regionali. I livelli 330–500 kV e 750 kV sono ad altissima tensione (EHV) e vengono utilizzati per il trasferimento di energia tra province e tra regioni: i circuiti a 750 kV operano principalmente nella rete del nord-ovest. Al di sopra di questi si trovano i sistemi ad ultra-altissima tensione (UHV): corrente alternata a 1000 kV e corrente continua a ±800 kV, progettati per la trasmissione su lunga distanza e ad alta capacità. Le reti internazionali utilizzano diversi livelli intermedi—ad esempio 132 kV, 275 kV, 400 kV o 765 kV—ma la regola fondamentale è la stessa ovunque: maggiore è la tensione, più massiccia è la torre.
Ciò che aumenta con la tensione non è solo l’altezza
Una tensione più elevata aumenta immediatamente i requisiti elettrici. Le distanze di isolamento tra fase e fase e tra fase e terra devono aumentare, le catene di isolatori diventano più lunghe e le dimensioni della testa del traliccio si allargano. Per controllare le perdite e aumentare la capacità, i conduttori diventano più grandi e i livelli di tensione più elevati adottano conduttori fasciati: le linee a 500 kV utilizzano tipicamente quattro conduttori per fase, quelle a 750 kV ne utilizzano sei e i progetti in corrente alternata a 1000 kV ne utilizzano otto. Un numero maggiore di conduttori per fase comporta carichi verticali e orizzontali maggiori sulla struttura.
Tradotto in termini strutturali, i risultati sono prevedibili: testa del traliccio più grande, corpo più alto e più largo, tensione sui conduttori maggiore, carichi dovuti al vento e al ghiaccio più elevati — e quindi elementi strutturali più pesanti, acciai di qualità superiore e un aumento graduale del peso del traliccio a ogni livello di tensione.
Tipi di traliccio e acciaio nell’intera gamma di tensioni
10–35 kV (distribuzione): Dominano torri a graticcio leggere, pali d'acciaio e pali in calcestruzzo. I circuiti sono generalmente monofase con un singolo conduttore. Gli elementi strutturali sono di piccole dimensioni e l'acciaio di grado Q235 è generalmente sufficiente. Il peso di una singola torre varia da alcuni centinaia di chilogrammi a diverse tonnellate, a seconda dell'altezza e della campata.
110–220 kV (alta tensione): Questo è il campo di applicazione più intenso per le torri a graticcio in acciaio angolare, con configurazioni a tazza, a testa di gatto, a barile e di tipo asciutto realizzate sia come linee monofase che bifase. La scelta dell'acciaio prevede tipicamente una combinazione di Q235B e Q355B — Q355 corrisponde al precedente grado Q345, rinominato secondo la norma GB/T 1591-2018 — con gli elementi principali potenziati in base ai calcoli ove richiesto dai carichi. I conduttori sono singoli nella maggior parte delle linee a 110 kV, mentre i progetti a 220 kV possono impiegare fasci doppi o conduttori singoli a sezione trasversale elevata. Il peso delle torri varia da alcune tonnellate fino a circa venti tonnellate, con incrementi significativi nelle zone soggette a forti ghiacciature e forti venti.
330–500 kV (tensione estremamente elevata): I livelli di carico rientrano nell’intervallo della rete principale. Le torri monoscia a forma di coppa e le torri doppia scia a forma di barile sono comuni; i conduttori a quattro fasci sono standard sui circuiti a 500 kV. Il grado Q355 è il tipo più utilizzato, mentre l’acciaio ad alta resistenza Q420 viene impiegato nei nodi fortemente sollecitati e nei principali elementi soggetti a elevata tensione per ridurre il peso. Una singola torre a questo livello pesa comunemente decine di tonnellate, con valori effettivi che variano notevolmente in funzione dell’altezza, della velocità di progetto del vento e del carico di ghiaccio.
750–1000 kV (UHV): È qui che la logica strutturale dell’acciaio cambia in modo più drastico. La geometria della testa della torre e l’interasse tra le fasi aumentano nettamente; le catene di isolatori sono composte da decine di elementi e raggiungono diversi metri di lunghezza, progettate in base alla classe di inquinamento e all’altitudine. Per controllare il peso, la percentuale di acciaio ad alta resistenza Q420 e Q460 aumenta chiaramente, e alcuni progetti hanno adottato materiale di grado Q690. Una torre di sospensione standard UHV può richiedere oltre cento tonnellate di acciaio; le torri per attraversamenti fluviali superano di molto tale valore. Secondo relazioni di progetto pubblicate, una torre da 1000 kV tra Zhangbei e Xiong’an ha raggiunto un’altezza di 173 metri con 526 tonnellate di acciaio, mentre una torre per l’attraversamento del fiume Yangtze è alta 225,2 metri e pesa 1.259 tonnellate singolarmente. Le configurazioni dei conduttori a otto fasci per 1000 kV e a sei fasci per 750 kV sono progettate appositamente per gestire esattamente questi elevati carichi.
La tensione non è l’unica variabile
Vale la pena ripeterlo: due linee alla stessa tensione nominale possono differire di diversi ordini di grandezza per quanto riguarda il peso delle torri e il consumo di acciaio. La velocità di progetto del vento e la zona ghiacciata, il numero di circuiti, la lunghezza delle campate e il tipo di terreno, l’altitudine e la classe di inquinamento modificano tutti i casi di carico. Due progetti a 220 kV — uno su terreno pianeggiante con campate corte, l’altro in condizioni montane con forte ghiacciamento — potrebbero richiedere quantitativi di acciaio drasticamente diversi. La logica corretta di selezione consiste quindi nel progettare partendo dai carichi e dagli standard specifici del progetto, non nel riutilizzare disegni basandosi esclusivamente sulla classe di tensione.
Una disciplina attraversa ogni livello: la protezione contro la corrosione. Dalle linee a 10 kV alle linee a 1000 kV, l’acciaio per torri viene normalmente zincato a caldo secondo norme quali ISO 1461 o GB/T 13912, con lo spessore del rivestimento graduato in base allo spessore dei profilati. Maggiore è la tensione, maggiore è lo spessore dei profilati — e maggiore è il peso affidato alla qualità della zincatura e all’accessibilità per la manutenzione a lungo termine. Per le linee di alta classe, l’investimento nella protezione anticorrosiva costituisce la base per decenni di servizio senza manutenzione.
Consigli per acquirenti e ingegneri
Nella fase iniziale del progetto, inserire questi elementi nell’elenco delle chiarificazioni tecniche: il sistema di norme applicabile (IEC, GB, ASTM, ecc.) e i casi di carico, il tipo di torre e la configurazione del circuito, i tipi di acciaio e la percentuale di acciaio ad alta resistenza, i requisiti di spessore della zincatura, nonché le condizioni di trasporto e di montaggio in cantiere. Invitare il team ingegneristico del produttore a partecipare alla revisione della selezione: chiedere loro di eseguire i calcoli dei carichi e l’ottimizzazione della torre in base ai parametri del vostro progetto, quindi accettare la consegna sulla base delle relazioni di calcolo e dei certificati di prova rilasciati da un ente terzo indipendente. La classe di tensione definisce il quadro generale; ciò che rende una torre affidabile è il fatto che ogni parametro ingegneristico al di sotto di tale quadro sia stato trattato con serietà.