Come specificare i cavi per il successo in ambienti estremi

I controlli delle condutture artiche, i sistemi di trasporto di massa, le attrezzature minerarie e militari, la produzione alimentare e il settore petrolchimico sono esempi di applicazioni in ambienti estremi che richiedono un cablaggio robusto per garantire un funzionamento e una sicurezza senza compromessi. Un requisito fondamentale è il funzionamento a temperature estese, da -50 °C a +125 °C.

I cavi devono isolati con un materiale elastomerico termoplastico (TPE), dato che offre una flessibilità alle basse temperature tre volte superiore a quella del polivinilcloruro (PVC), è resistente ai solventi e all'acqua, ha un'eccellente stabilità ai raggi ultravioletti (UV) ed è riciclabile per una maggiore sostenibilità. Devono essere adatti all'uso in condizioni esterne difficili, esposti alle intemperie o essere idonei all'interramento diretto per accelerare l'installazione.

Devono soddisfare i severi requisiti UL e CSA ed essere disponibili in configurazioni multicoppia e multiconduttore, con una scelta di prestazioni tra cavo da passerella (TC), cavo da passerella a potenza limitata (PLTC) o cavo da passerella per turbine eoliche (WTTC), una gamma di opzioni di schermatura dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e tensioni nominali che soddisfino una varietà di scenari applicativi.

Questo articolo esamina i vantaggi prestazionali e legati alla sostenibilità dell'isolamento in TPE, concentrandosi sulla costruzione dei cavi Xtra-Guard 4 di Alpha Wire. Spiega come questi cavi semplifichino l'installazione in luoghi difficili e conclude con una breve considerazione su come la guaina termorestringente FIT-600, che soddisfa gli standard AMS-DTL-23053/1 Classe 1 e 2, possa migliorare le installazioni che utilizzano i cavi Xtra-Guard 4.

Limitazioni del PVC e soluzioni in TPE

Il PVC è un materiale isolante ampiamente utilizzato e di grande capacità, ma non è una soluzione universale. In alcune applicazioni, come i cavi per ambienti estremi, potrebbe non essere l'opzione migliore e per questo esiste un'alternativa chiamata TPE che può tornare utile.

Il TPE risponde alle problematiche prestazionali e ambientali associate al PVC. In applicazioni come i controlli delle condutture artiche e dei sistemi di energia rinnovabile, i sistemi di trasporto di massa e le attrezzature minerarie e militari che possono essere soggette a temperature estremamente basse, il TPE può essere una scelta migliore.

Il TPE è principalmente una combinazione di un polimero termoplastico duro e di un polimero elastomerico morbido, che sono miscelati o copolimerizzati per creare le prestazioni ottimali per applicazioni specifiche. Il TPE utilizzato nei cavi Xtra-Guard Flex 4 di Alpha Wire è tre volte più flessibile del PVC alle basse temperature. Ciò semplifica l'installazione e la manutenzione.

Alcune applicazioni sono caratterizzate da temperature estremamente elevate, come i lavaggi di sanificazione negli impianti di trasformazione alimentare e in specifici processi petrolchimici. Classificato per l'uso fino a +125 °C, il TPE è un'ottima scelta, dal momento che garantisce un'affidabilità costante a temperature elevate. Inoltre, resiste meglio delle alternative in PVC a rischi quali solventi, acqua, oli, raggi UV solari e fiamme, presenti in un'ampia gamma di applicazioni.

Per ultimo, ogni sistema ha un ciclo di vita finito e, alla fine, il riciclaggio e la sostenibilità sono fattori cruciali nel determinare l'impatto a lungo termine dell'installazione. Questo è un altro settore in cui eccelle il TPE. Gli alogeni (come il cloro, il fluoro e il bromo) sono altamente reattivi: il PVC tipico contiene il 29% circa di cloro in peso. Altre alternative, come l'etilpropilene fluorurato (FEP) e il politetrafluoroetilene (PTFE, spesso chiamato Teflon), possono contenere fino al 76% di fluoro.

Durante il normale utilizzo, materiali come il PVC, il FEP e il PTFE sono benigni e molto utili, ma a fine vita, quando vengono riciclati, possono essere fonte di composti pericolosi e tossici. Il TPE è un materiale termoplastico, cioè può essere fuso e rimodellato ripetutamente senza deterioramento. L'utilizzo di isolamento in TPE contribuisce a ridurre gli sprechi, a conservare le risorse e a minimizzare l'impatto ambientale associato allo smaltimento a fine vita.

Schermatura ottimizzata

Le EMI possono rappresentare un altro rischio ambientale per i sistemi elettronici e i cavi Xtra-Guard 4 di Alpha Wire offrono ai progettisti tre opzioni di schermatura per affrontare livelli bassi, medi e alti di EMI (Figura 1).

• Negli ambienti a bassa emissione di EMI, i cavi non schermati sono adatti e sono la soluzione ideale per diametro e peso inferiori.
• In situazioni di EMI moderate, la schermatura con lamine di alluminio/poliestere può essere adeguata. Le schermature a lamina offrono una soluzione intermedia in termini di prestazioni EMI, dimensioni e peso del cavo. Il filo di continuità in rame stagnato semplifica la messa a terra del cavo, migliorando l'efficacia della schermatura.
• Quando si parla di livelli elevati di EMI, i progettisti possono optare per i cavi Alpha Supra-Shield che combinano una lamina di alluminio/poliestere/alluminio e una schermatura in treccia di rame stagnato con una copertura del 75%. Supra-Shield offre una schermatura ad alte prestazioni sull'intero spettro delle frequenze, assicurando l'integrità del sistema e la flessibilità dei cavi per una facile installazione.

Figura 1: Le applicazioni che richiedono la massima efficacia di schermatura EMI possono optare per i cavi Supra-Shield, che offre prestazioni migliori nell'intero campo di frequenza rispetto alle schermature convenzionali in alluminio/poliestere. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Altre opzioni di costruzione dei cavi

I materiali isolanti e la schermatura sono solo due aspetti della costruzione dei cavi. Anche i conduttori sono centrali e facilitano il flusso di energia elettrica e di dati per il funzionamento del sistema.

I cavi Xtra-Guard 4 sono disponibili in versioni multiconduttore e multicoppia. Entrambi i tipi hanno fili multipli in un'unica guaina, ma si differenziano per la struttura e le applicazioni previste.

I singoli conduttori raggruppati formano un cavo multiconduttore. Questi sono adatti per applicazioni per uso generale, come la distribuzione di energia o il semplice cablaggio di controllo, quando l'integrità del segnale non è un problema centrale alla progettazione.

Nei cavi multicoppia, coppie di conduttori vengono intrecciati tra loro prima di essere integrate nel cavo. L'attorcigliamento riduce il rumore e le interferenze, rendendo ogni coppia adatta ad applicazioni di trasmissione dati e comunicazione ad alta velocità (Figura 2).

Figura 2: I cavi Xtra-Guard 4 sono disponibili con più coppie di fili intrecciati (in alto) e più conduttori singoli (in basso). (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

I cavi multiconduttore sono disponibili con conduttori da 16 a 24 AWG, da 2 a 40 conduttori, e con varie strutture di trefoli, tra cui 16/30, 7/28 e 41/30. I cavi multicoppia sono disponibili con conduttori da 18 a 24 AWG, da 1 a 19 coppie, e con opzioni di trefolatura di 16/30, 7/28, 7/30 e 7/32.

Limiti di impiego dei cavi

Altri fattori da considerare quando si specificano i cavi per garantirne il successo in ambienti estremi sono la tensione nominale e il tipo UL. Sono disponibili cavi multiconduttore Xtra-Guard 4 con valori nominali di 300 V e 600 V. Per i cavi da 300 V sono disponibili modelli multicoppia, adatti per applicazioni di trasmissione dati e comunicazione.

Le passerelle sono spesso utilizzate come alternativa alle guaine o al cablaggio aperto, dato che supportano l'installazione, la gestione e la manutenzione dei cavi in modo efficiente. Esistono due tipi principali di cavi per passerella con classificazione UL, la cui differenza principale è data dalla tensione nominale.

Il tipo TC ha una tensione nominale di 600 V, che li rende adatti ai circuiti di potenza e di controllo nelle applicazioni industriali. I cavi di tipo PLTC hanno una tensione nominale di 300 V e sono utilizzati principalmente per i circuiti di segnale e di comunicazione. I cavi multiconduttore Xtra-Guard 4 sono disponibili per applicazioni TC e PLTC, mentre i cavi multicoppia sono disponibili per applicazioni PLTC (tranne 24 AWG).

I cavi con classificazione TC sono spesso utilizzati in applicazioni in cui è richiesto il ritardo di fiamma. I cavi PLTC possono essere utilizzati nei circuiti di Classe 2 e Classe 3, come definito dal National Electrical Code (NEC) negli Stati Uniti.

I circuiti di Classe 2 hanno una tensione nominale minima di 150 V, mentre quelli di Classe 3 richiedono una tensione nominale minima di 300 V. Entrambi sono limitati a una potenza massima di 100 VA e sono a prova di innesco di un incendio. I circuiti di Classe 2 sono considerati a prova di urti grazie ai limiti di bassa tensione e potenza, mentre i circuiti di Classe 3 spesso richiedono ulteriori protezioni contro gli urti.

I cavi Xtra-Guard 4 sono inoltre classificati UL WTTC per l'uso in applicazioni come turbine eoliche e sono approvati dal Pennsylvania Bureau of Deep Mining Safety per i sistemi di monitoraggio in miniera (tranne 14 AWG). Alpha Wire offre una linea completa di cavi Xtra-Guard 4 (Figura 3). Alcuni esempi sono:

• 45053, multiconduttore non schermato, con 3 conduttori da 20 AWG 7/28, tensione nominale di 300 V
• 45440/9, schermato multiconduttore, con 9 conduttori da 16 AWG 19/0,0117, tensione nominale di 600 V
• 45162 multiconduttore Supra-Shield schermato, con 2 conduttori da 18 AWG 16/30, tensione nominale di 300 V
• 45032 multicoppia non schermato, con 2 coppie di conduttori da 18 AWG 16/30, tensione nominale di 300 V
• 45484 multicoppia schermato, con 4 coppie di conduttori da 22 AWG 7/30, tensione nominale di 300 V
• 45126 multicoppia Supra-Shield schermato, con 6 coppie di conduttori da 22 AWG 7/30, tensione nominale di 300 V

Figura 3: I cavi Xtra-Guard 4 sono disponibili in diverse configurazioni dei conduttori e schermature e con tensioni nominali di 300 V e 600 V. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Installazione semplice e robusta

Dopo aver specificato il cavo adatto all'applicazione, l'ultimo fattore da considerare è la semplicità dell'installazione. Oltre alle installazioni in passerelle sopra descritte, i progettisti possono utilizzare i cavi Xtra-Guard 4 in applicazioni esterne e per interramento diretto, dove combattono l'impatto degli agenti atmosferici e dell'invecchiamento UV senza richiedere una guaina. Questo può semplificare e velocizzare notevolmente l'installazione.

Questi cavi sono dotati di un filo taglia guaina in nylon per facilitare la spellatura. Le guaine termorestringenti FIT di Alpha Wire possono essere un sistema affidabile per proteggere e sigillare le terminazioni, aggiungendo al contempo una certa robustezza meccanica.

La guaina termorestringente FIT 600 è una scelta molto comune. Ad esempio, il modello F6001IN BK005 ha un diametro di 25,4 mm prima del restringimento termico ed è realizzato in poliolefina clorurata (CPO), che offre un buon compromesso tra flessibilità e resistenza al calore e agli agenti chimici. Si mantiene flessibile alle basse temperature ed è più flessibile delle guaine termorestringenti standard in poliolefina reticolata (XLPO). La CPO offre anche una resistenza alla trazione doppia rispetto alla guaina termorestringente in gomma siliconica, con un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -75 °C e +121 °C che ben si adatta ai cavi Xtra-Guard 4 in ambienti estremi (Figura 4).

Figura 4: La guaina termorestringente FIT 600 di Alpha Wire si adatta molto bene alle prestazioni dei cavi Xtra-Guard 4 in ambienti estremi. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

La serie di guaine termorestringenti FIT 600 è inoltre conforme alle norme AMS-DTL-23053/1 Classe 1 e 2. La norma AMS-DTL-23053/1 è una specifica militare per le guaine termorestringenti utilizzate per l'isolamento elettrico, lo scarico della trazione e la protezione dall'abrasione nei sistemi militari e aerospaziali.

Questo standard specifica sia la Classe 1, costituita da guaine a parete più spessa, sia la Classe 2, costituita da guaine a parete media. Lo spessore nominale della parete recuperata è direttamente correlato alla dimensione espansa della guaina prima del restringimento. Ad esempio, per una dimensione nominale di 25,4 mm prima del restringimento, lo spessore della parete recuperato per le guaine a parete media è di circa 1,78 mm.

Conclusione

I cavi Xtra-Guard 4 di Alpha Wire hanno tutte le carte in regola per garantire il successo dei progetti in ambienti estremi. Essendo specificati per temperature da -50 °C a +125 °C, sono adatti per l'uso in ambienti freddi come i controlli delle condutture artiche, in condizioni di calore estremo negli impianti petrolchimici e possono sopportare la pulizia e la sterilizzazione a vapore nelle operazioni di trasformazione alimentare.

Il loro isolamento in TPE garantisce una flessibilità superiore e una resistenza all'acqua, ai solventi, ai raggi UV e ad altre problematiche ambientali. Sono disponibili in una varietà di configurazioni dei conduttori, livelli di schermatura EMI e valori di tensione per soddisfare i requisiti di un'ampia gamma di applicazioni.

Sono approvati UL per vari tipi di installazione in passerelle o per l'interramento diretto. Infine, la guaina termorestringente FIT 600 si adatta bene alla flessibilità, alla resistenza agli agenti chimici e alle temperature di funzionamento dei cavi Xtra-Guard 4. La linea Xtra-Guard 4 è disponibile in bobine da 30 e 300 m, esclusivamente presso DigiKey.

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