Alta, media e bassa: differenze e classificazione delle reti elettriche secondo la tensione di esercizio

Alta, media e bassa tensione sono termini di sui sente parlare spesso in ambito tecnico elettrico, ma cosa significano esattamente? Perché esistono e perché non può esistere un solo livello di tensione per tutta la rete elettrica? Cerchiamo di fare chiarezza su questi aspetti dell'elettrotecnica, andando a chiarire cos'è la tensione elettrica e quali sono le principali differenze tra alta, media e bassa tensione.

Cos'è la tensione elettrica?

La tensione elettrica (misurata in volt [V])è definita come la differenza di potenziale tra due cariche elettriche poste ad una certa distanza tra loro. Questo valore, inoltre, aumenta all'aumentare della carica (cioè del loro potenziale). Sappiamo che, come per i poli dei circuiti magnetici, due cariche elettriche di segno opposto si attraggono mentre due cariche uguali di respingono. Questa forza di interazione in fisica è conosciuta come campo elettrico.
La corrente (I) invece corrisponde alla quantità di cariche elettriche che si muovono nell'unità di tempo, ordinate in un flusso "canalizzato" (ad esempio un cavo elettrico), mosse appunto da una differenza di potenziale o tensione.

Esiste una terza grandezza fondamentale, che ci tornerà utile nel seguito dell'articolo che è la resistenza elettrica (R). La resistenza è una grandezza fisica che ci dice quanto gli elettroni fanno "fatica" ad attraversare un conduttore o cavo elettrico; può essere accomunata ad una sorta di forza di attrito meccanica, come ad esempio quella del vento che si oppone al movimento dell'automobile in autostrada.

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Qual è la differenza tra corrente e tensione elettrica?

L'effetto macroscopico della resistenza elettrica è prettamente termico. Un cavo percorso da corrente si scalda: più è intenso il flusso di elettroni (più la corrente è alta) più l'effetto termico è evidente. Questo fenomeno fisico prende il nome di effetto Joule.

Per capire fino in fondo il significato di queste grandezze, viene sempre comoda l'analogia con il mondo idraulico, di più facile comprensione.
Considerando un tubo pieno d'acqua la tensione elettrica può essere vista come la differenza di pressione tra l'acqua in ingresso e in uscita dal tubo. In fluidodinamica sappiamo che un fluido o un gas si muove sempre da un punto a pressione maggiore verso un punto a pressione minore, lo stesso principio vale per gli elettroni. Il flusso di acqua in questo esempio corrisponde quindi alla corrente elettrica.
La forza contraria esercitata dalle pareti del tubo allo scorrimento dell'acqua è invece una forza di attrito dissipativa che può essere accomunata alla resistenza elettrica.

I livelli di tensione

La tensione elettrica può assumere infiniti valori: dai milioni di volt nei fulmini, ai pochi volt delle pile o addirittura ai milli o microvolt generati dal nostro sistema nervoso. In abito normativo sono stati definiti per comodità dei valori standard raggruppati a livelli in una serie di insiemi, definendo per ognuno un intervallo di valori:

• Bassissima tensione (BBT) indica una tensione minore o uguale a 50 V in corrente alternata (CA) e 120 V in corrente continua (CC);
• Bassa Tensione (BT) indica una tensione con V compresa tra 50 e 1.000 volt in CA oppure tra 75 V e 1.500 V in CC;
• Media Tensione (MT) indica una tensione con V compresa tra 1.000 e 30.000 volt in CA o 1.500 e 30.000 V in CC;
• Alta Tensione (AT) indica una tensione compresa tra 30.000 e 150.000 V sia AC che DC;
• Altissima Tensione (AAT) con tensioni superiori a 150.000 V.

Come contenere le perdite di energia

Se vogliamo rappresentare la dispersione di calore tramite effetto Joule con una formula, possiamo dire che la potenza termica dissipata da una resistenza elettrica aumenta esponenzialmente con il quadrato della corrente:

P termica dissipata [W] = R x I²

Quindi, per limitare al massimo questo effetto dissipativo su un cavo elettrico devo necessariamente agire su questi due fattori:

1. scegliere un conduttore con un valore di resistenza bassissimo
2. limitare la corrente circolante nel cavo il più possibile.

Sul raggiungimento del primo punto non ci sono grossi problemi: utilizzando cavi con conduttore in rame e sezione non troppo piccola, il valore della resistenza del cavo risulterà essere abbastanza contenuto. Cosa contraria è il punto due, in quanto, per trasferire energia elettrica tra due punti attraverso una linea elettrica più il valore di corrente è alto più energia riesco a trasferire nell'unità di tempo (potenza).

La tensione di esercizio della linea

Per mantenere sia resistenza che corrente a valori molto bassi, ma allo stesso tempo massimizzare la potenza e quindi l'energia da trasferire, l'unico modo che si ha è quello di agire necessariamente sul valore della tensione di esercizio della linea. Se mantengo la potenza trasferita costante, più aumento V più I diminuisce e viceversa. È facile intuire quindi che prese due linee elettriche distinte alle quali viene chiesto di trasportare lo stesso valore di potenza da un punto A ad un punto B ma a due livelli di tensione differenti, la linea che avrà il valore di tensione maggiore dissiperà meno energia sotto forma di calore massimizzando quindi la sua efficienza. Inoltre, se ragiono invece a parità di energia persa, la linea con il valore di tensione maggiore sarà più lunga dell'altra.

Ecco spiegato perché quindi le linee di trasmissione (quelle gestite in Italia da Terna ad esempio) che generalmente trasportano grandi flussi di energia per centinaia o migliaia di chilometri vengono esercite a valori di tensione molto elevati, nei regimi di alta e altissima tensione (tipicamente 132.000 V, 220.000 V e 380.000 V), per limitare al massimo le perdite in rete di energia contenendo i valori di corrente.

Stessa cosa vale anche per le linee di distribuzione, dove il primo trasferimento di energia all'interno delle città o nelle campagne viene anch'esso fatto ad elevati valori di tensione, ma più bassi rispetto a quelli della trasmissione: in questo caso si parla di media tensione. L'ultimo chilometro viene invece esercito in bassa tensione, al valore convenzionale per il quale i nostri elettrodomestici o macchinari sono dimensionati per operare.

I problemi dell'alta tensione

Purtroppo, come per tutte le cose, esiste un rovescio della medaglia: più salgo con il livello di tensione, più gli elettroni cercheranno di "fuggire" dal cavo a causa della tensione stessa. Questo significa che devo isolare il cavo con materiali più elaborati e costosi. Inoltre esiste un tema di sicurezza delle persone: non è pensabile avere in casa dispositivi o elettrodomestici che funzionino con valori di tensione altissimi, altrimenti rischieremmo di rimanere fulminati, oltre a risultare fisicamente ingestibili per limiti tecnici.

In questo articolo abbiamo quindi appreso che per trasmettere energia elettrica attraverso una linea elettrica per lunghe distanze, mantenendo basse le perdite, bisogna tenere bassa la corrente alzandone la tensione. Questi valori di tensione sono accettabili e gestibili nelle linee elettriche di trasmissione e distribuzione, dove i valori di potenza in gioco sono molto elevati mentre man mano che mi avvicino verso le case degli utenti finali la tensione deve necessariamente calare sia per limiti tecnici sia per temi legati alla sicurezza delle persone. Queste "conversioni" di tensione vengono effettuate dai trasformatori, particolari macchine elettriche statiche il cui compito è quello di innalzare e abbassare i valori della tensione e della corrente.