IT202000005347A1 - Conduttore per linee elettriche aeree nude con anima in materiale composito e sistema di monitoraggio in tempo reale per il controllo dell’integrità strutturale del conduttore durante la produzione, lo stendimento e l’installazione - Google Patents

Conduttore per linee elettriche aeree nude con anima in materiale composito e sistema di monitoraggio in tempo reale per il controllo dell’integrità strutturale del conduttore durante la produzione, lo stendimento e l’installazione Download PDF

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botdr
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Giacomo Sarti
Davide Peroni
Debora Mimo
Cristian Moro
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De Angeli Prod S R L
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Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:
?Conduttore per linee elettriche aeree nude con anima in materiale composito e sistema di monitoraggio in tempo reale per il controllo dell?integrit? strutturale del conduttore durante la produzione, lo stendimento e l?installazione?
DESCRIZIONE
Campo di applicazione dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un conduttore per linee elettriche, in particolare ad un conduttore per linee elettriche aeree nude, con anima in materiale composito e con un sistema di monitoraggio continuo e in tempo reale per la garanzia dell'assenza di danneggiamenti dell'anima dal momento della produzione fino all'installazione in linea del conduttore.
Stato della tecnica
Le linee elettriche sopraelevate di potenza sono generalmente costituite da conduttori in alluminio, grazie alla loro buona conducibilit?, basso costo e leggerezza, se paragonati ad altri possibili conduttori per applicazioni di potenza, quali rame, oro e argento. Tuttavia, a causa delle modeste propriet? meccaniche dell?alluminio, i conduttori sono generalmente rinforzati internamente con fili in acciaio, atti a renderne possibile la messa in opera. Le recenti esigenze hanno portato a una continua ricerca di incremento di potenza lungo le linee preesistenti, attraverso per esempio la sostituzione dei conduttori pre-esistenti con conduttori di ultima generazione. Si ? quindi reso necessario alleggerire il sistema pur mantenendo sufficienti propriet? meccaniche.
La scelta del tipo di conduttore per linee elettriche da utilizzare ? determinata dalle condizioni finali di impiego del conduttore stesso, in particolare la vita utile, le sollecitazioni meccaniche e le condizioni ambientali. Infatti, come ? ampiamente documentato in letteratura, i principali attacchi di tipo ambientale per i conduttori sopraelevati sono la prolungata esposizione a temperatura, umidit?, radiazioni UV-visibile e agenti chimici aggressivi combinati con una continua applicazione di stress meccanici.
Ai sensi delle norme internazionali, ad esempio per l'Italia la Norma CEI 11-4 (1998-09), ?Esecuzione delle linee elettriche aeree esterne?, si definiscono linee elettriche aeree esterne le ?linee installate all'aperto, al di sopra del suolo e costituite dai conduttori nudi con i relativi isolatori, dai sostegni ed accessori?. Tale norma prevede inoltre che le sollecitazioni ammesse per il conduttore nelle condizioni di tiro giornaliero EDS (Every Day Stress) non debbano superare il 25% del suo carico di rottura con conduttore assestato e del 30% con conduttore non assestato (cio? in fase di tesatura). Queste condizioni devono essere soddisfatte per l?intera vita utile, che si stima essere maggiore di 40-50 anni prima della sostituzione del conduttore. Il conduttore dovr? quindi mantenere nel tempo le caratteristiche di resistenza meccaniche, a fatica e con un allungamento a creep contenuto.
Tra i conduttori elettrici per la trasmissione di potenza elettrica sopraelevata, i conduttori con elementi conduttivi in alluminio sono i pi? diffusi. I conduttori per la trasmissione sopraelevata sono generalmente classificati in conduttori omogenei o non omogenei. I primi contengono solo leghe d?alluminio (AAAC) usate sia per condurre corrente elettrica che come materiale di supporto, mentre i secondi contengono un?anima di un materiale di rinforzo, atto a sostenere parte del peso del conduttore. In funzione del materiale utilizzato come rinforzo, ? possibile individuare quattro categorie, contenenti un?anima in acciaio (identificati con le sigle ASCR, ACSS e GAP TYPE), contenenti una lega metallica speciale per rinforzare il conduttore (lega Fe-Ni INVAR), contenenti un composito metallico (lega Al-Zr con fibre lunghe di allumina ACCR) e infine contenenti un composito a matrice polimerica con elemento portante pultruso a filo singolo oppure multifilo cordato (ACCM). Un conduttore di questo tipo ? descritto nel brevetto italiano n. 1374151 , a nome della stessa Richiedente.
Sebbene lo stato dell'arte veda la diffusione sul mercato di conduttori con portante in materiale composito, il fenomeno dei cedimenti strutturali dell?anima in carbonio a filo singolo ? uno scenario catastrofico gi? visto sia in Europa che altrove e che i gestori delle reti elettriche devono combattere. I cedimenti strutturali sono causati da cricche che nascono dall'intrinseca fragilit? del carbonio a compressione e flessione e si possono formare all?interno dell?anima in carbonio durante la fabbricazione del conduttore oppure a causa della manipolazione errata durante le fasi dell'installazione.
Una soluzione presentata sul mercato ? quella di un conduttore con portante multifilo in materiale composito. Questa soluzione prevede una ridondanza di elementi portanti pultrusi in carbonio che, cordati assieme, garantiscono un grado di sicurezza maggiore contro i cedimenti strutturali rispetto alle soluzioni con anima ad elemento portante unico. Di contro questa soluzione ? pi? costosa a causa della complessit? costruttiva dell?anima multifilo in carbonio.
Se per un conduttore ad anima multifilo il rischio di cedimento strutturale ? mitigato dalla ridondanza degli elementi dell?anima, per i conduttori ad anima a singolo filo una sola cricca compromette immediatamente l?integrit? del 100% dell?elemento strutturale del conduttore causandone il collasso meccanico immediato oppure con il passare del tempo.
Una alternativa che permette di garantire un adeguato livello di garanzia dell?integrit? dell?anima, mantenendo un costo sul mercato concorrenziale, ? l?applicazione di un sistema di monitoraggio all?interno dell?anima a singolo filo in materiale composito che garantisce l?integrit? strutturale.
A tal proposito, il documento WO 2019/168998 A1 descrive un sistema di monitoraggio con l?ausilio di fibre ottiche annegate all?interno del pultruso in fibra di carbonio e vetro adibito a rinforzo strutturale monofilo dei conduttori elettrici aerei. Questo sistema, abbinato a strumenti per l?invio e la ricezione di segnali ottici presenta alcuni limiti intrinseci che vengono superati dal presente brevetto. Il sistema descritto nel documento WO 2019/168998 A1 fa riferimento a fibre annegate all?interno del pultruso in materiale composito [par. 0089] determinandone l?impossibilit? di estrarle durante il monitoraggio e il pericolo di danneggiarle in produzione durante il passaggio ad alta temperatura nello stampo che determina la sagoma del pultruso. Le fibre ottiche, molto sottili e fragili, durante lo svolgimento dalla bobina in cui sono stoccate fino allo stampo di pultrusione sono soggette al rischio di rottura. Una loro giunzione in linea sarebbe possibile ma difficilmente attuabile e non compatibile con il processo di pultrusione che non permette di essere fermato salvo con un conseguente scarto di materiale. Un ulteriore limite intrinseco di questa invenzione ? legato alla necessit? di avere un costante accesso ad entrambe le estremit? delle fibre per l?invio e la ricezione del segnale ottico [par. 00112] , Questa condizione ? applicabile solo durante i controlli di produzione e lo stendimento, ma non durante l?installazione del conduttore ai tralicci che, visto il contesto lavorativo in cui viene effettuata, rappresenta ad oggi una delle fasi con la pi? alta probabilit? di danneggiare permanentemente il conduttore. L?installazione avviene solitamente sulla cima dei tralicci con operatori e attrezzature sospesi in quota in un contesto di lavoro delicato, soggetto alle condizioni metereologiche e vincolato in termini di spazio dai dispositivi di sicurezza che riguardano operatori e attrezzature. In questo frangente il conduttore subisce stress meccanici, pieghe e vibrazioni che possono pregiudicarne l?integrit? strutturale. Oltretutto, in questa situazione l?estremit? del conduttore non ? disponibile per il collegamento ad uno strumento ottico perch? deve essere appositamente tagliata e manipolata per l?installazione della morsa di amarro per l?ancoraggio del conduttore al traliccio. Risulterebbe invece utile avere un sistema di monitoraggio che consenta di interrogare l?anima del conduttore anche durante le delicate fasi dell'installazione della morsa di amarro e l?ancoraggio al traliccio. Un ulteriore limite di questo sistema ? legato alla necessit? di utilizzare un sistema LED per l?interrogazione delle fibre ottiche. Come riportato nel par. [001 14] il sistema LED viene preferito al pi? comune laser a causa delle dimensioni delle fibre ottiche. Come discusso sopra, secondo WO 2019/168998 A1 le fibre ottiche vengono annegate all?interno del pultruso e tale condizione ne determina l?impossibilit? di essere estratte e lette con il comune strumento di interrogazione laser chiamato OTDR (Optical Time Domain Reflectometer, Riflettometro Ottico nel Dominio del Tempo). Questo limite fa s? che le fibre possano essere lette solo con sistemi ottici, ad esempio LED, con limitazioni riguardanti l?impossibilit? di ottenere informazioni come ad esempio il grado di attenuazione del segnale a diverse lunghezze d?onda e la distanza fra l?interruzione della fibra e il punto di lettura.
Nei paragrafi [0084-0086] WO 2019/168998 A1 fa riferimento alla necessit? di utilizzare un numero di fibre ottiche maggiore di uno per avere la probabilit? statistica che un?eventuale cricca nel nucleo in carbonio si propaghi fino a raggiungere e spezzare almeno una fibra ottica permettendo al sistema di monitoraggio di rilevare il danno. Questo sistema comporta limiti intrinseci legati al numero massimo di fibre ottiche inseribili nel pultruso che, a parit? di sezione, occuperebbero spazio alle fibre di carbonio adibite al carico meccanico del conduttore. Inoltre, una continuit? ottica delle fibre ? una condizione necessaria ma non sufficiente per garantire l?assenza di cricche che, statisticamente, potrebbero essere presenti anche fra una fibra ottica e l?altra senza essere intercettate dal sistema di monitoraggio. Una ulteriore limitazione di questo sistema ? riportata al paragrafo [0087] ed ? legata all'impossibilit?, di posizionare le fibre ottiche sulla superficie esterna del pultruso, condizione che permetterebbe l'individuazione ottimale delle cricche che si propagano dalla superficie del pultruso verso l'interno, tuttavia il limite intrinseco ? legato al potenziale danneggiamento con il contatto con i fili conduttori adibiti al passaggio di corrente elettrica.
Sommario dell?invenzione
Pertanto, lo scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un conduttore per linee elettriche che abbia integrato un sistema per il monitoraggio in tempo reale dello stato del portante in materiale composito che consenta di eliminare gli inconvenienti suddetti.
Uno scopo della presente invenzione ? l?applicazione di un sistema di monitoraggio non invasivo inserito in modalit? continua all?interno di un conduttore per linee elettriche aeree per la valutazione dell?integrit? strutturale dell?anima in materiale composito durante le fasi produttive e l?installazione del conduttore ai tralicci.
Ulteriori scopi dell?invenzione sono quelli di realizzare un conduttore per linee elettriche aeree con un sistema di monitoraggio con le seguenti caratteristiche:
? applicato in maniera continua e non invasiva all?interno del conduttore lungo tutta la lunghezza;
? protezione con una o pi? guaine conduttive per evitarne danneggiamenti delle fibre ottiche durante le fasi produttive e con il contatto con i fili di materiale conduttore;
? identificazione precisa della posizione dei difetti all?interno dell?anima in materiale composito;
? capacit? di inviare segnali di allarme prima di raggiungere l?angolo di piega limite per avvertire in caso di manipolazione errata prima che avvenga il danneggiamento strutturale;
? fornire garanzia dell?assenza di cricche interne all?elemento portante pultruso in materiale composito, detto anche anima, senza esercitare un impatto invasivo al suo interno;
? capacit? di salvare i dati elaborati per la successiva analisi e verifica del rispetto delle pratiche descritte nel manuale di installazione del conduttore.
L?idea alla base della presente invenzione ? di dotare il conduttore per linee elettriche di un sistema di monitoraggio ad almeno due fibre ottiche opportunamente integrate all?interno di tutta la lunghezza del conduttore. Le fibre, interrogate con uno strumento commerciale chiamato BOTDR ( Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, Riflettometro Ottico ad effetto Brillouin nel Dominio del Tempo), forniscono informazioni su tutta la lunghezza del conduttore sull?integrit? dell?elemento portante pultruso in materiale composito, detto anche anima del conduttore, e sulla posizione dell?eventuale difetto riscontrato sia durante la fase produttiva sia durante l?installazione del conduttore.
Alla luce di quanto sopra, l?invenzione ha per oggetto un conduttore con sistema di monitoraggio.
Preferibilmente, detto conduttore con sistema di monitoraggio comprende un nucleo portante, in materiale composito.
Preferibilmente, detto conduttore con sistema di monitoraggio comprende uno o pi? strati elettricamente conduttori, associati esternamente a detto nucleo portante.
Preferibilmente, detto conduttore con sistema di monitoraggio comprende due o pi? fibre ottiche, disposte longitudinalmente lungo detto nucleo portante, su una superficie radialmente esterna dello stesso.
Preferibilmente, detto conduttore con sistema di monitoraggio comprende un sistema BOTDR, associato a dette fibre ottiche.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per la lettura di un raggio di piega di detto nucleo portante.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per la determinazione della presenza di cricche su detto nucleo portante.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per la determinazione della posizione di dette cricche.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per la determinazione di un raggio di piega massimo ammissibile.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per la determinazione della posizione di detto raggio di piega massimo ammissibile.
Preferibilmente, detto conduttore con sistema di monitoraggio comprende una unit? di elaborazione configurata per generare, in funzione di detta lettura, un segnale di notifica in caso di raggiungimento di parametri critici.
L?invenzione pu? comprendere una o pi? delle seguenti caratteristiche preferite.
Preferibilmente, detto nucleo portante ? realizzato in materiale pultruso.
Preferibilmente, detto nucleo portante ? realizzato da un singolo elemento.
Preferibilmente, detto nucleo portante ? realizzato da una pluralit? di elementi cordati assieme.
Preferibilmente, se detto nucleo portante ? realizzato da un singolo elemento, dette fibre ottiche sono disposte sulla superficie radialmente esterna di detto singolo elemento.
Preferibilmente, se detto nucleo portante ? realizzato da una pluralit? di elementi cordati assieme, dette fibre ottiche sono disposte sulla superficie radialmente esterna di un elemento centrale facente parte di detti elementi cordati assieme.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per effettuare un controllo su tutta la lunghezza del nucleo portante durante la produzione del conduttore.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per effettuare un controllo su tutta la lunghezza del nucleo portante durante le fasi produttive del conduttore stesso.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per effettuare un controllo su tutta la lunghezza del nucleo portante durante l'installazione del conduttore stesso.
Preferibilmente, detta unit? di elaborazione ? dotata di un agente di intelligenza artificiale, configurato per attuare algoritmi di autoapprendimento per distinguere diverse tipologie di difetti di detto nucleo portante.
Preferibilmente, dette fibre ottiche sono del tipo G652 o G651 o G655.
Preferibilmente, dette fibre ottiche sono disposte lungo l'intera lunghezza di detto nucleo portante.
Preferibilmente, dette fibre ottiche sono disposte con sfasamento di circa 120? tra loro.
Preferibilmente, dette fibre ottiche sono in numero di tre.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per inviare uno o pi? segnali di test in dette fibre ottiche e per ricevere corrispondenti segnali retrodiffusi.
Preferibilmente, elaborando detti segnali retrodiffusi, viene sostanzialmente annullato l'effetto della temperatura ottenendo informazioni direttamente correlate alla deformazione di dette fibre ottiche.
Preferibilmente, dette fibre ottiche sono mantenute in posizione da distanziatori.
Preferibilmente, detti distanziatori sono realizzati in materiale polimerico, in particlare in materiale poliaramidico o poliammidico o Peek o poliesteri o poliimidi.
Preferibilmente, dette fibre ottiche sono protette con uno o pi? nastri e guaine.
Preferibilmente, detti nastri e guaine sono realizzati in materiale polimerico e/o alluminio e sue leghe.
Preferibilmente, le comunicazioni fra detto sistema BOTDR e l?unit? di elaborazione avviene tramite tecnologia wireless, preferibilmente Wi-fi.
Preferibilmente detta tecnologia wireless viene impiegata per un utilizzo continuativo durante le fasi di produzione, stendimento e installazione del conduttore.
Preferibilmente, detta unit? di elaborazione ? configurata per il salvataggio dei dati durante il suo utilizzo per una successiva analisi, in particolare per una verifica del rispetto delle pratiche corrette descritte nel manuale di installazione del conduttore.
Preferibilmente, detto sistema BOTDR ? configurato per operare in corrispondenza di una sola estremit? di detto nucleo portante, lasciando l'estremit? opposta libera per una manipolazione della stessa.
Preferibilmente, difetti strutturali di detto nucleo portante e/o anomalie di manipolazione sono rilevati da detto sistema BOTDR e registrati da detta unit? di elaborazione anche senza che dette fibre ottiche giungano a rottura.
Preferibilmente, detta unit? di elaborazione ? configurata per generare un segnale di allarme in caso di errata manipolazione del conduttore, prima di una rottura di detto nucleo portante.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva del sistema di monitoraggio secondo il trovato, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo nei disegni allegati.
La FIG. 1 illustra a titolo esemplificato, ma non limitativo, la costruzione preferita del presente trovato composta da tre fibre ottiche 101 disposte attorno ad un?anima monofilo in materiale composito 102.
Le fibre vengono mantenute in posizione da un nastro 103 e il tutto ? ricoperto da un tubo di alluminio estruso 104. Il conduttore viene completato con uno o pi? mantelli di fili di alluminio o sue leghe di sezione circolare o sagomata 105.
La FIG.2 viene rappresentato un esempio di lettura con BOTRD che rappresenta l?andamento della frequenza in funzione dello spazio per tre fibre ottiche sottoposte a deformazione.
In FIG. 3 si evince uno schema a blocchi del funzionamento globale del sistema. Il BOTDR viene alimentato da una batteria e connesso alle tre fibre ottiche in un?estremit? del conduttore. I dati vengono inviati ad un computer tramite segnali Wifi che li elabora e fornisce in output il risultato dell?operazione intesa come assenza o presenza di difetti o pieghe accentuate con relativa estensione e distanza dal punto di lettura.
In FIG. 4 viene mostrato il sistema di funzionamento del monitoring tale per cui una fibra ottica sottoposta a deformazione invia ad un BOTDR una variazione del segnale di ritorno che crea uno spostamento della frequenza in funzione della distanza del punto di lettura e dell?intensit? della deformazione.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
Il sistema di monitoraggio oggetto dell?invenzione ? caratterizzato dall?adottare l?anima composita (102) del conduttore con almeno due fibre ottiche (101 ), come esempio non limitativo preferibilmente tre e di tipologia G652D, disposte lungo la lunghezza dell?elemento portante pultruso in materiale composito, protette da una o pi? guaine in materiale conduttivo e/o polimerico, come esempio non limitativo in materiale aramidico e alluminio (103 - 104), ed interrogate con un sistema laser commerciale tale da fornire indicazioni su tutta la lunghezza sull'integrit? dell?anima e sul rispetto del raggio di piega massimo sia durante le fasi produttive che durante l'installazione del conduttore. Il presente trovato fa riferimento ad un?anima portante pultrusa in materiale composito a filo singolo oppure a pi? elementi cordati assieme. Qualora il conduttore oggetto della presente invenzione avesse un?anima formata da un solo elemento portante pultruso in materiale composito, le fibre ottiche verrebbero poste sulla superficie del pultruso opportunamente distanziate fra loro con l?ausilio di appositi separatori oppure inserite sempre sulla superficie grazie ad appositi incavi ricavati sulla sua sagoma. Qualora il conduttore oggetto del presente brevetto facesse riferimento alla seconda condizione, quella per cui l?anima ? formata da pi? elementi pultrusi in materiale composito cordati assieme, le fibre ottiche verrebbero poste sulla superficie dell?elemento centrale opportunamente distanziate fra di loro con l?ausilio di separatori, oppure inserite sempre sulla superficie grazie ad appositi incavi ricavati sulla sua sagoma.
Le fibre ottiche, gi? ampiamente utilizzate nell'ambito delle telecomunicazioni e diagnostica, sono caratterizzate dal fatto di poter condutture al loro interno la luce con ingombri e pesi molto ridotti, non invasivi per la costruzione del conduttore ed immuni ai disturbi elettrici. La loro costruzione le rende particolarmente fragili a compressione trasversale e sensibili agli stress meccanici, pertanto il loro utilizzo ? subordinato all?applicazione di una protezione meccanica (generalmente, come esempi non limitativi, in materiale polimerico e/o metallico). Costituite da filamenti vetrosi o polimerici, le fibre ottiche sono generalmente formate da un nucleo e da un mantello con il diametro rispettivamente di 125 e 250 micrometri (circa le dimensioni di un capello) e sono al momento lo stato dell?arte per la trasmissione di segnali ottici su grandi distanze. La fibra ottica funziona come uno specchio tubolare, la luce che entra nel nucleo con un certo angolo si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del nucleo e del mantello.
Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto. Infatti, oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici, se strutturate adeguatamente per garantire la riflessione totale del segnale d'ingresso, teoricamente, permettono di trasferire completamente la potenza in ingresso nell'uscita. In pratica, per?, intervengono dei fenomeni fisici che causano comunque attenuazione della potenza lungo la fibra; tali perdite, solitamente valutate statisticamente in termini di attenuazione specifica ovvero in dB/km, sono dovute a:
? propriet? intrinseche del mezzo;
? danneggiamenti del mezzo;
? sollecitazioni termo-meccaniche del mezzo.
Qualora la fibra venga danneggiata, stressata o in seguito alla sollecitazione dell?anima oltre un raggio predeterminato, detto raggio critico, la luce subirebbe una variazione di propagazione che, in funzione della sua intensit?, ne determinerebbe l?entit? della sollecitazione. La fibra ottica, appoggiata e solidale al nucleo in materiale composito, viene quindi utilizzata come strumento di monitoraggio fornendo direttamente informazioni sull?integrit? strutturale dell?anima del conduttore e sull?effettivo rispetto del raggio di piega minimo prescritto in funzione della dimensione dell?anima del conduttore e menzionato nelle norme di installazione.
Il principio fisico alla base del presente trovato ? l?effetto di Brillouin (chiamato anche Brillouin light scattering) tale per cui una deformazione della fibra ottica crea una variazione dell?indice di rifrazione del materiale di cui ? composta fornendo un?informazione al sistema di lettura (FIG 4).
La misura di deformazione viene basata sulla teoria della curvatura di una barra sottoposta a flessione. Durante la flessione di una barra vi ? una zona sottoposta a trazione e una zona sottoposta a compressione. La linea che divide le due zone ? chiamata asse neutro e non ? sottoposta a nessuno stress durante la sollecitazione di flessione. Secondo questo principio, posizionando una fibra ottica sopra l?asse neutro ed una sotto, ed analizzando lo spettro del segnale ? possibile sapere quale delle due ? sottoposta a trazione e quale a compressione. Qualora le due fibre fossero disposte a 180? l'una dall?altra vi sarebbe una condizione tale per cui il piano neutro passerebbe per i loro centri e non si avrebbe nessuna informazione sulla differenza di deformazione reciproca. Se le due fibre fossero disposte a 90? o 120? in ogni condizione di deformazione vi sarebbe sempre almeno una fibra in tensione o in compressione fornendo al software il minimo delle informazioni per il funzionamento del monitoraggio. La condizione preferibile per il presente brevetto ? un numero di fibre pari a tre e disposte a 120? l'una dall?altra sulla parte esterna dell?elemento portante pultruso in materiale composito. In questa forma, per ogni deformazione dell?anima, vi sarebbe almeno una fibra in compressione e almeno una fibra in trazione e una ridondanza di dati tale da garantire la corretta e pi? facile interpolazione dei valori al sistema software.
Durante le fasi produttive e di installazione del conduttore devono essere prese misure precauzionali sulla sua manipolazione. ? importante che il conduttore non venga piegato oltre un raggio critico, predeterminato in funzione del diametro del conduttore e delle caratteristiche dell?anima in materiale composito. Per questo motivo, il conduttore ? dotato di almeno due fibre ottiche, come esempio non limitativo vengono considerate tre fibre ottiche, e viene interrogato da un'estremit? mentre l'altra viene mantenuta libera di essere manipolata. Ogni fibra ottica sar? sottoposta a compressione o allungamento o sar? neutra, pertanto saranno fornite informazioni sufficienti per la misura del raggio di curvatura. Tra le tecnologie diffuse che utilizzano una singola estremit? (single-ended) della fibra ottica un metodo particolarmente utile sono le tecniche spontanee di Brillouin. In questa tecnica la luce ottica viene inviata alla fibra e viaggia al suo interno. Una certa quantit? di energia luminosa verr? retrodiffusa fino alla fine del lancio sulla stessa lunghezza d'onda, in un cosiddetto processo di dispersione elastica di Rayleigh. Parte dell'energia lanciata verr? retrodiffusa in una diversa lunghezza d'onda leggermente spostata a causa della dispersione spontanea anelastica di Brillouin (FIG 4). Quest'ultimo dipende sia dalla temperatura che dalla deformazione ottica a cui ? soggetta la fibra ottica. L'entit? dei fenomeni dipende dall'intensit? della luce inviata nella fibra ottica. Catturando e analizzando l'energia di Brillouin spontanea retrodiffusa, si possono determinare la deformazione locale e la temperatura. Nelle sezioni dei conduttori metallici che sono abbastanza piccole, come quelle dei conduttori delle linee elettriche aeree, la temperatura pu? essere considerata costante lungo la circonferenza del conduttore. Pertanto, l'unica differenza effettiva rimanente tra i segnali retrodiffusi da tutte e tre le fibre ottiche sar? la deformazione e l'impatto della temperatura sulla misura viene automaticamente escluso dalla configurazione multifibra e dalla natura metallica del conduttore. In questo modo non sono necessari mezzi aggiuntivi per la misurazione della temperatura come quelli che impiegano l'aggiunta di fibre ottiche per la compensazione della temperatura. L'approccio che utilizza misurazioni con tre fibre ottiche profila solo le differenze di deformazione, che porta direttamente alla conclusione sul raggio di curvatura del conduttore.
Il sistema di monitoraggio oggetto del presente trovato utilizza quindi le fibre ottiche come sensore per la determinazione del raggio di piega per ogni punto della lunghezza del conduttore. Quando il conduttore venga piegato, ad esempio durante il passaggio all'interno delle pulegge utilizzate durante lo stendimento del conduttore, il sistema BOTDR (200) legge una variazione della deformazione delle fibre ottiche (FIG.4). Come da FIG.2 vi sar? una zona dell?anima con fibre ottiche in compressione e in trazione (o viceversa). Qualora la sagoma dell?onda avesse un picco superiore ad un limite prederminato o l?analisi del segnale interpreti valori di piegatura eccessivi, ? possibile generare un segnale di allarme visivo e/o sonoro che avvertirebbe gli operatori del superamento dell?angolo di piega limite. Tale segnale inviato al raggiungimento dell?angolo di piega limite per avvertire in caso di manipolazione errata pu? arrivare prima del danneggiamento strutturale, preservando l?integrit? del conduttore e la sicurezza di cose e/o persone. Il segnale di allarme verrebbe inoltre accompagnato dal valore di distanza fornito dal sistema BOTDR (200) e permetterebbe di individuare con esattezza il punto di danneggiamento dell?anima e l?effettiva entit? del danno causato.
Il sistema di monitoraggio oggetto del presente trovato utilizza inoltre le fibre ottiche come sensore per la determinazione di difetti interni all?anima portante per ogni punto della lunghezza del conduttore. Durante lo stendimento del conduttore infatti viene generalmente applicata una tensione di tiro proporzionale al carico a rottura del conduttore. Se l?elemento portante fosse interessato da una cricca vi sarebbe un calo della sezione portante e, conseguentemente, un aumento della deformazione localizzata. Questo fenomeno di deformazione localizzata verrebbe identificato dal sistema BOTDR (200) e relativo software di analisi che fornirebbe un segnale di allarme e il valore di distanza per la determinazione della posizione corretta della cricca.
Il sistema di monitoraggio cos? composto infine confronta istante dopo istante la lunghezza delle fibre ottiche con la lunghezza nominale dell?anima pultrusa del conduttore. Qualora i valori fossero omogenei significa che nessuna cricca ? intervenuta a pregiudicare la continuit? delle fibre ottiche. Qualora durante lo stendimento del conduttore o la sua installazione al traliccio almeno uno dei valori di lunghezza delle fibre ottiche fosse diverso dal valore della lunghezza del pultruso, significa che almeno una cricca ha interessato l?anima del conduttore spezzando almeno una fibra ottica. Anche in questo caso il valore della distanza verrebbe registrato dal sistema di monitoraggio e permetterebbe di conoscere con esattezza la posizione del difetto.
Il conduttore oggetto del presente trovato presenta un numero di fibre pari ad almeno due, come esempi non limitativo preferibilmente tre (101 ), disposte esternamente all?anima pultrusa (102), tenute in posizione da uno o pi? nastri distanziatori (103), separate e protette dai fili conduttori da uno o pi? nastri in materiale polimerico (103) e da un tubo di alluminio estruso o saldato (104) anch?esso conduttivo e adibito al passaggio di corrente elettrica.
Il presente trovato consente di eliminare le limitazioni che caratterizzano il sistema descritto in WO 2019/168998 A1 e di presentare una soluzione capace di fornire informazioni sull?integrit? strutturale del conduttore in maniera continua e lungo tutta la sua lunghezza durante le fasi di produzione e di installazione.
Due fibre ottiche, o tre come esempio non limitativo, vengono appoggiate sopra l?elemento portante in materiale composito, distanziate di 120? l?una dall?altra e separate da un distanziatore che, come esempio non limitativo, ? in materiale polimerico. Le fibre, posizionate nella parte esterna del pultruso sono molto sensibili alle deformazioni dell?anima perch? distanti dall?asse neutro e sono in grado di rilevare deformazioni oltre il raggio limite durante l?installazione e deformazioni localizzate causate dalla presenza di cricche sul pultruso. L?elemento portante in materiale composito ?, come esempio non limitativo in fibra di carbonio con matrice epossidica, e pu? essere acquistato in misure e sagome commerciali. L?applicazione delle fibre ottiche sulla superficie del pultruso avviene successivamente alla sua produzione e questo ha due vantaggi. Il primo ? il basso costo dei materiali di partenza perch? sia i pultrusi sia le fibre ottiche sono gi? disponibili separatamente nel mercato in formati e lunghezze compatibili con quelle dei conduttori elettrici aerei (generalmente fino a 3-4 km). Il secondo vantaggio ? che, se necessario, le fibre ottiche possono anche essere separate dal pultruso qualora un danno o un difetto di produzione lo rendesse necessario. In questa circostanza il pultruso potrebbe essere riutilizzato con conseguente risparmio in termini di costi e tempi.
L?assieme formato da pultruso in materiale composito e fibre ottiche viene mantenuto solidale per mezzo di uno o pi? nastri anch?essi in materiale polimerico che, come esempio non limitativo sono in poliestere, o poliammidi, o poliimmidi o poliaramidi o PEEK, che hanno lo scopo di mantenere le fibre ottiche in posizione e solidali con il pultruso in materiale composito e di proteggerle durante le fasi successive della produzione. Questa lavorazione presenta numerosi vantaggi. Le fibre ottiche non subiscono nessuno stress termico in quanto tutto il processo avviene senza l'apporto di calore, le tensioni in gioco sono inferiori alle sollecitazioni massime che possono subire le fibre e, un?eventuale rottura accidentale delle fibre pu? essere gestita semplicemente fermando la linea di produzione e saldando le due estremit? con una giuntatrice senza pregiudicare la qualit? del prodotto. Il semilavorato successivamente viene ricoperto da un?estrusione continua di alluminio, conduttiva elettricamente, che ha il compito di prevenire la corrosione galvanica dell?anima in carbonio dal contatto con l?acqua e l?alluminio dei fili conduttori.
Durante la cordatura dei mantelli conduttivi di alluminio che, come esempio non limitativo possono essere di forma circolare o sagomata, di alluminio puro, ricotto o incrudito oppure in lega di alluminio (105), le fibre ottiche possono essere interrogate per una verifica sull?integrit? del semilavorato. Questa procedura permette di effettuare un controllo della qualit? dell?anima in materiale composito per verificare che nessun passaggio produttivo lo abbia danneggiato.
L?interrogazione delle fibre ottiche avviene in una modalit? compatibile con le condizioni di lavoro degli installatori che, come menzionato sopra, si effettuano spesso sulla cima dei tralicci, in condizioni atmosferiche avverse e vincolati da sistemi di sicurezza che ne rendono difficoltosi i movimenti. L?interrogazione avviene da una sola estremit? del conduttore e tramite l?ausilio di uno strumento ottico commerciale chiamato BOTDR ( Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) , identificato nel presente contesto come ?sistema BOTDR (200)?, che trasferisce le informazioni ad una unit? di elaborazione (300) (es. un computer) tramite segnali Wifi (FIG.3). L?estremit? del conduttore in cui avvengono le connessioni ottiche viene liberata dai mantelli esterni di alluminio e dal tubo di alluminio utilizzando i normali strumenti in dotazione agli installatori (pinza, seghetto, tagliatubi ecc). Le estremit? delle fibre ottiche vengono prelevate per una lunghezza sufficiente a creare i collegamenti ottici e connesse al BOTDR. L?operazione di preparazione dell?estremit? pu? anche essere preventivamente effettuata al completamente della produzione, con il vantaggio di velocizzare le operazioni in installazione a cui rimarr? solo da effettuare il collegamento allo strumento. Questo strumento ottico, invia da una estremit? della fibra in esame una serie di impulsi ottici di caratteristiche opportune, dalla stessa estremit? valuta l?andamento nel tempo della componente riflessa del segnale. L?intensit? degli impulsi riflessi viene misurata e integrata nel tempo, elaborata secondo il principio di Brillouin ed espressa in forma grafica sul computer in funzione della lunghezza della fibra (FIG.4).
Un?eventuale cricca nel pultruso creerebbe una deformazione locale di una o pi? fibre che verrebbe letta e registrata dal sistema di monitoraggio. La lettura consente di identificare la posizione della cricca e la sua estensione (FIG. 2).
Questa metodologia consente inoltre di interrogare lo stato di integrit? dell?anima del conduttore anche durante l'installazione del conduttore quando una estremit? del conduttore viene accoppiata alla morsa d?amarro e collegata al traliccio, l?estremit? libera pu? essere interrogata in tempo dal sistema di monitoraggio per l?analisi dell?integrit? dell?anima del conduttore e la verifica che durante la prima parte dell'installazione non vi siano stati danneggiamenti strutturali e che siano state rispettate tutte le istruzioni del manuale compreso il rispetto del raggio di piega mimino. Il sistema pu? funzionare anche per avvertire gli installatori in caso di manipolazione errata prima che l?integrit? strutturale dell?anima del conduttore venga compromessa preservando il luogo di lavoro da incidenti e danni a cose e persone.
Il sistema ? in grado di salvare tutti i dati registrati per una successiva analisi e verifica del rispetto delle pratiche descritte nel manuale di installazione del conduttore a garanzia della qualit? del conduttore e del corretto lavoro svolto.
Come menzionato in precedenza, il sistema di monitoraggio pu? essere applicato anche su conduttori con elementi portanti in materiale composito cordati insieme.
Come menzionato in precedenza, le fibre ottiche facenti parte del sistema di monitoraggio possono essere inserite anche all?interno di cavit? ricavate sulla superficie del pultruso.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1 . Conduttore (100) con sistema di monitoraggio, comprendente: - un nucleo portante (102), in materiale composito; - uno o pi? strati elettricamente conduttori (104), associati esternamente a detto nucleo portante (102) ; - due o pi? fibre ottiche (101 ), disposte longitudinalmente lungo detto nucleo portante (102), su una superficie radialmente esterna dello stesso; - un sistema BOTDR (200), associato a dette fibre ottiche (101 ) e configurato per la lettura di un raggio di piega di detto nucleo portante (102) e/o la determinazione della presenza di cricche su detto nucleo portante (102) e/o la determinazione della posizione di dette cricche; e/o la determinazione di un raggio di piega massimo ammissibile; - una unit? di elaborazione (300) configurata per generare, in funzione di detta lettura, un segnale di notifica in caso di raggiungimento di parametri critici.
  2. 2. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo la rivendicazione 1 in cui detto nucleo portante (102) ? realizzato in materiale pultruso, detto nucleo portante (102) essendo realizzato da un singolo elemento oppure da una pluralit? di elementi cordati assieme.
  3. 3. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo la rivendicazione 2 in cui: se detto nucleo portante (102) ? realizzato da un singolo elemento, dette fibre ottiche sono disposte sulla superficie radialmente esterna di detto singolo elemento; se detto nucleo portante (102) ? realizzato da una pluralit? di elementi cordati assieme, dette fibre ottiche sono disposte sulla superficie radialmente esterna di un elemento centrale facente parte di detti elementi cordati assieme.
  4. 4. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto sistema BOTDR (200) ? configurato per effettuare un controllo su tutta la lunghezza del nucleo portante (102) sia durante la produzione del conduttore, sia durante l'installazione del conduttore stesso.
  5. 5. Conduttore con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta unit? di elaborazione (300) ? dotata di un agente di intelligenza artificiale, configurato per attuare algoritmi di autoapprendimento per distinguere diverse tipologie di difetti di detto nucleo portante (102).
  6. 6. Conduttore con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui dette fibre ottiche (101 ) sono del tipo G652 o G651 o G655 e preferibilmente disposte lungo l'intera lunghezza di detto nucleo portante (102) con sfasamento di circa 120? tra loro, dette fibre ottiche (102) essendo in particolare in numero di tre.
  7. 7. Conduttore con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto sistema BOTDR (200) ? configurato per inviare uno o pi? segnali di test in dette fibre ottiche (101 ) e per ricevere corrispondenti segnali retrodiffusi, in cui, elaborando detti segnali retrodiffusi, viene sostanzialmente annullato l'effetto della temperatura ottenendo informazioni direttamente correlate alla deformazione di dette fibre ottiche (101 ).
  8. 8. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui dette fibre ottiche (101 ) sono mantenute in posizione da distanziatori preferibilmente in materiale polimerico, in particlare in materiale poliaram idico o poliammidico o Peek o poliesteri o poliimidi, dette fibre ottiche (101 ) essendo preferibilmente protette con uno o pi? nastri e guaine che, in particolare, sono realizzati in materiale polimerico e/o alluminio e sue leghe.
  9. 9. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui le comunicazioni fra detto sistema BOTDR (200) e l?unit? di elaborazione (300) avviene tramite tecnologia wireless, preferibilmente Wi-fi, per un utilizzo continuativo durante le fasi di produzione, stendimento e installazione del conduttore, detta unit? di elaborazione (300) essendo preferibilmente configurata per il salvataggio dei dati durante il suo utilizzo per una successiva analisi, in particolare per una verifica del rispetto delle pratiche corrette descritte nel manuale di installazione del conduttore.
  10. 10. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto sistema BOTDR (200) ? configurato per operare in corrispondenza di una sola estremit? di detto nucleo portante (102), lasciando l'estremit? opposta libera per una manipolazione della stessa.
  11. 1 1. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui difetti strutturali di detto nucleo portante (102) e/o anomalie di manipolazione sono rilevati da detto sistema BOTDR (200) e registrati da detta unit? di elaborazione (300) anche senza che dette fibre ottiche (101 ) giungano a rottura.
  12. 12. Conduttore (100) con sistema di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta unit? di elaborazione (300) ? configurata per generare un segnale di allarme in caso di errata manipolazione del conduttore, prima di una rottura di detto nucleo portante (102).
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