Un cavo elettrico è un componente elettrico che consiste in un insieme di più fili che agiscono come conduttori elettrici, avvolti tra di loro e rivestiti da uno o più strati di materiale che funge da isolante elettrico e protezione (guaina).
Ampiamente utilizzato nel campo dell'elettrotecnica, dell'elettronica e nelle telecomunicazioni, la sua funzione è la trasmissione di corrente elettrica (per esempio negli impianti elettrici o reti elettriche) o scambio di dati e informazioni a distanza. L'insieme dei collegamenti in cavo di una certa infrastruttura di rete elettrica o di un impianto in cavo, nonché l'operazione stessa di posa e interallacciamento, è detto "cablaggio".
Caratteristiche
In quasi tutti i cavi elettrici si impiegano metalli con una resistività elettrica molto bassa (per esempio rame o alluminio) per i fili conduttori. Questi ultimi hanno sezione variabile a seconda della portata di corrente e a seconda che sia richiesta una maggiore resistenza alle sollecitazioni meccaniche, o una maggiore flessibilità; possono inoltre essere intrecciati a spirale, appiattiti o sagomati.
I cavi sono manufatti sviluppati essenzialmente in lunghezza, usati per collegare due punti al fine di trasferire dall'uno all'altro correnti elettriche di grande intensità nel caso di trasferimento di energia elettrica o di piccola intensità nel caso di trasferimento di segnali elettrici che per la loro stessa natura sono idonei a trasmettere informazioni. Nel primo caso si parla di cavi energia, nel secondo di cavi per telecomunicazioni.
Modalità di posa In base al sistema di posa i cavi generalmente sono classificati in: cavi aerei: sono posati mediante appositi sostegni su palificazioni in legno, in calcestruzzo o metalliche (es tralicci); cavi terrestri: sono interrati direttamente o entro tubazioni interrate o appositi cunicoli interrati a una profondità dal suolo tale da tenerli sufficientemente protetti dalle azioni che si possono compiere inavvertitamente in superficie; cavi sottomarini: sono distesi sul fondo del mare, dei laghi o dei corsi d'acqua, dopo aver eventualmente predisposto un corridoio privo di particolari asperità nel quale il cavo potrebbe essere soggetto a sollecitazioni particolari (come l'azione di strappo ad opera di un'ancora strisciante sul fondo); si procede, quindi, a ricoprirli con opportuni strati protettivi.
Esiste poi una categoria intermedia di cavi detti cavi di comando e segnalazione, usati per trasmettere informazioni insieme ad energia elettrica atta ad attivare i dispositivi cui sono collegati.
Infine, quando i cavi di cui sopra sono oggetto di specifiche soluzioni al fine di conferire loro caratteristiche particolari, quali ad esempio l'operabilità anche in situazioni ambientali particolarmente aggressive, vengono detti "cavi speciali".
I cavi si dicono "armati" se, oltre all'involucro protettivo esterno di cui sono normalmente dotati, vengono ulteriormente protetti applicando su di essi tubi di piombo o di alluminio o nastri/fili di ferro/acciaio avvolti ad elica e opportunamente trattati per proteggerli dalla corrosione.
Cavi per l'energia
I cavi per l'energia sono costituiti da uno o più elementi detti anime. In base al numero di anime vengono detti: unipolari, bipolari, tripolari, quadripolari ecc. e il loro numero è determinato dal particolare sistema elettrico di cui fanno parte. Ciascuna anima è costituita da un conduttore (di rame, di alluminio o sue leghe) ricoperto da un isolante. La sezione del conduttore è funzione della corrente elettrica con cui viene trasmessa l'energia elettrica.
Quanto più è grande la sezione del conduttore, tanto più è difficoltosa la movimentazione del cavo durante la sua posa e l'utilizzo. Quando è necessario migliorarne la flessibilità, il conduttore viene realizzato invece che con un filo unico o con pochi fili di grossa sezione cordati tra loro (conduttore rigido), da tanti fili sottili cordati tra loro (conduttore flessibile). Quanto più i singoli fili sono sottili tanto più l'anima risulta maneggevole. Per ogni sezione e formato del conduttore (numero e sezione dei singoli fili) di un determinato tipo di cavo, viene fissato dal costruttore il raggio minimo di curvatura sotto cui non bisogna scendere durante la posa o l'utilizzo del cavo stesso per non comprometterne l'integrità.
L'isolante può essere costituito da materiale tessile, carta (per lo più impregnata da particolari oli isolanti), gomma, mescole a base di PVC, polietilene o altri speciali materiali sintetici. Lo spessore e le caratteristiche tecniche dell'isolante devono essere tali da garantire che i diversi conduttori non vengono mai in contatto tra loro e che, in base alle caratteristiche del materiale isolante usato, si trovino sufficientemente distanti affinché il diverso potenziale elettrico che esiste tra loro non dia origine a una scarica elettrica.
Anime nude
Quando le anime non sono ricoperte da materiale isolante si dicono anime nude. Il materiale isolante che li tiene separati è costituito dall'aria interposta tra loro, in tal caso la loro posa può essere solo aerea. I loro supporti devono essere particolarmente isolanti da terra per evitare di disperdere al suolo l'energia elettrica, e la distanza tra loro e tra qualsiasi altro oggetto circostante deve essere garantita in ogni circostanza, tanto da non dare origine a scariche elettriche estremamente dannose per persone e cose.
La potenza elettrica (la quantità di energia elettrica trasmessa nell'unità di tempo) è funzione del prodotto della corrente elettrica che percorre i conduttori per la tensione esistente tra le anime. Durante la trasmissione ci sono perdite che dipendono essenzialmente dalla sezione del conduttore e dalla corrente. Dette perdite si estrinsecano in calore che alza la temperatura dei conduttori, indebolendo così la loro resistenza meccanica alle sollecitazioni di trazione e, oltre certi limiti, compromettendo le caratteristiche dielettriche dell'isolante (per anime non nude).
Per ogni sezione di conduttore, in base al materiale di cui è costituito il conduttore stesso e l'isolante, esiste un valore di corrente (portata massima di corrente) che non può essere superato, sia per limitare le perdite, sia per non indebolire la resistenza meccanica dell'anima (resistenza alle sollecitazioni di trazione), sia per non compromettere le capacità dielettriche dell'isolante. Per aumentare la potenza e quindi l'energia trasmessa non resta che aumentare la tensione; questo però impone l'aumento dell'isolamento e quindi la distanza tra i conduttori.
Al di là di certi valori di tensione, l'unica soluzione economicamente possibile è quella di cavi aerei costituiti da conduttori sostenuti da opportuni supporti ai tralicci. Il cavo in questo caso è costituito da una terna di conduttori facenti parte di un sistema elettrico. Più terne possono essere supportate da una stessa serie di tralicci, ai cui bracci sono appesi i vari conduttori. Per proteggere i conduttori e il sistema elettrico di cui fanno parte da scariche meteoriche, al di sopra dei conduttori e sorretto dalla stessa palificazione viene steso un conduttore messo a terra (fune di guardia) che funziona da parafulmine.
I conduttori (solitamente di alluminio) devono poter sopportare le sollecitazioni di tensione generate dal loro stesso peso, per il tratto collocato tra due supporti contigui, da eventuali pesi aggiuntivi (come blocchi di ghiaccio formatisi su di essi) e dalle sollecitazioni generate dal vento. Spesso data la distanza tra le tratte (dettata dalla orografia del terreno oltre che da motivi economici) dette sollecitazioni sono eccessive per un conduttore di semplice alluminio; in tal caso bisogna rinforzarlo opportunamente. La tecnica più usata è quella di sostituire tutti o alcuni dei fili del conduttore con analoghi fili di leghe di alluminio più resistenti dell'allumino stesso e/o di aggiungere fili di acciaio che sopportano meglio gli sforzi di trazione; in questi casi si parla di conduttore rinforzato.
Anime isolate I cavi interrati devono avere anime isolate anche quando fanno parte della rete di trasmissione e sono quindi cavi ad alta tensione. Detti cavi devono sopportare la stessa tensione della rete di cui fanno parte. La tecnologia per produrre questi cavi è sofisticata. Per evitare le scariche superficiali che a queste tensioni si possono verificare sulla superficie dell'isolante, tra il conduttore e l'isolante viene interposto uno strato di materiale semiconduttivo; altrettanto viene fatto tra la superficie esterna dell'isolante e gli strati sovrapposti. Questo viene realizzato con nastri di carta semiconduttiva avvolti ad elica o per estrusione contemporaneamente a quella dell'isolante in un ambiente assolutamente protetto da polvere o qualsiasi altro inquinante. Altrettanto sofisticata e costosa è la tecnologia per produrre e installare i prodotti accessori quali isolatori, giunti, terminali. L'uso di questi cavi è limitato a brevi tratte.
Quando la rete di trasmissione attraversa bracci di mare (ad esempio per alimentare le isole) o bacini lacustri o fluviali e non è possibile adoperare i conduttori aerei rinforzati (per la distanza dei sostegni o per motivi paesaggistici), bisogna ricorrere a cavi energia ad alta tensione sottomarini. Non solo i cavi ma anche la loro gestione diventa complessa e sofisticata. Bisogna adoperare gli isolanti più efficaci come carta e olio fluido, realizzati con nastri di carta purissima avvolti ad elica sopra al conduttore e impregnati di particolari oli trattati per togliere qualsiasi impurezza o bolle di aria, e/o tenere opportunamente bassa la temperatura dei conduttori facendo circolare al loro interno fluidi refrigeranti a temperatura controllata. La rete di distribuzione è essenzialmente costituita da cavi con anime isolate in gomma o polietilene reticolato, cordati e protetti da una guaina di PVC interrati nei centri abitati e sorretti da palificazioni in periferia. In quest'ultimo caso si diffonde sempre più l'uso di cavi con conduttori in alluminio isolati con polietilene reticolato avvolti a spirale visibile attorno a una fune di acciaio che provvede al loro sostentamento; così facendo la palificazione può essere più rada, perché la capacità di autosostentamento del cavo nella tratta tra due pali contigui è decisamente maggiore.
Dalle cabine di trasformazione ad ogni terna di cavi attestativi, si dipartono una serie di linee verso le utenze finali. Quando per una linea elettrica l'energia da trasmettere è tanta, per esempio perché ci sono tante utenze a basso consumo o poche utenze ma ad elevato consumo (e quindi occorrerebbe una elevata corrente se fatta a bassa tensione), per limitare le perdite si preferisce trasmettere a una tensione intermedia (media tensione). Si dovrà disporre quindi di un'altra serie di trasformatori (per ridiscendere a bassa tensione) collocati in prossimità di un gruppo più ristretto di utenze a basso consumo o direttamente presso l'utente finale ad alto consumo (come p.e. potrebbe essere un opificio industriale).
La rete che parte dal contatore (posto dall'ente elettrico alla fine della sua rete di distribuzione) e arriva alle "prese di corrente" per i punti luce o gli apparati da alimentare, viene detta rete interna ed è di proprietà dell'utente. L'alimentazione è a bassa tensione monofase/bifase per gli uffici e le abitazioni domestiche, trifase per quei macchinari che assorbono maggior potenza.