Electric Power: The Engine That Drives Economic Growth 

OVERHEAD ALUMINUM CONDUCTORS: MARKET TENDENCY & HOW CORTINOVIS SICTRA IS RESPONDING TO THE INCREASE IN DEMAND 

       

 

       

 

   

 

 

Developing nations, in order to grow their economies, need reliable and economic solutions to their energy  requirements.   Unfortunately,  the  road  to  energy  independence  is not  always easy.    Laws need  to  be  written,  regulations  need  to  be  put  in  place,  environmental  concerns  need  to  be considered and sound engineering solutions need to be developed in order to get the energy where it is required in the most efficient manner. 

This  discussion  will  concentrate  on  the  specific  cables  utilized  to  distribute  this  energy,  the developments in cable designs and the equipment required to produce these cables. We will describe the current trend in the overhead conductor market and how CORTINOVIS MACHINERY and SICTRA, companies, which belong the same group (EUROLLS GROUP), have developed technologies proven to increase the production capabilities of manufactures already present in the market and also provide know how  to companies  that are considering entering  the market but have been  reluctant due  to deficiencies  in market  knowledge  and  production  capability. We  will  describe  the  two  essential processes that are required to produce these conductors; Wire Drawing and Stranding. 

Product Solutions: 

From the beginning of the 20th century AAC (All Aluminum Conductor) was the only solution used for overhead  conductor.    This  remained  constant  until  just  before WWII when  the  use  of  AAC was exceeded by AAAC (All Aluminum Alloy Conductor).   The change was brought about because of the need for a higher conductivity conductor with higher strength. Unfortunately, it was determined that the strength of the conductor was the real limit. 

This remained the  limitation until the  introduction of ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced) and ACAR (Aluminum Conductor Aluminum Alloy Reinforced).   

Today’s market is demanding even higher performance conductors, and the research is concentrated in the following areas: 

1. Smaller diameter conductors with the same conductivity value 2. Lower resistance conductor material for higher conductivity 3. Higher strength for conductors  reducing  the conductor’s weight with the same conductivity 

level 

We will attempt to explain how the constructions have evolved, the reasons  for the evolution, and finally the equipment required to manufacture these products. 

 

CORTINOVIS MACHINERY AMERICA, INC.

Eurolls Group News

Volume 1, Issue 1

 

     1st Qtr 2012 

 

 

 

 

 

UPCOMING EVENTS 

 

WAI Operations Summit & Wire Expo

May 22-23, 2012 Omni Dallas Hotel | Dallas, Texas, USA

Stand 416

 

   

 

There are five major types of overhead conductors used for electrical transmission and distribution: 

1. AAC    All Aluminum Conductor 2. AAAC    All Aluminum Alloy Conductor 3. ACSR    Aluminum Conductor Steel Reinforced 4. ACAR     Aluminum Conductor Aluminum Alloy Reinforced 5. ACCR    Aluminum Conductor Composite Reinforced 

 

AAC – All Aluminum Conductors 

Stranded 1350 aluminum conductors are classified, as follows:  

• Class AA: For bare conductors usually used in overhead lines. • Class A:  For conductors to be covered with weather‐resistant materials and for bare conductors 

where greater flexibility is required.  • Class B:  For conductors to be insulated with various materials and for conductors indicated under 

Class A where greater flexibility is required.   • Class C:  For conductors where greater flexibility is required. 

Compact strand conductor for use in bare overhead applications or for use with weather‐resistant coverings or insulations are also available. 

AAAC – All Aluminum Alloy Conductors 

Used as bare overhead conductor for primary and secondary distribution. Designed utilizing a high strength aluminum alloy to achieve a high strength‐to‐weight ratio; affords better sag characteristics. Aluminum alloy gives AAAC higher resistance to corrosion than ACSR.  

 

 

ACSR – Aluminum Conductor Steel Reinforced 

ACSR is a high‐capacity, high‐strength concentric‐lay‐stranded conductor consisting of a single core wire or a stranded steel central core with one or more layers of 1350 H19 stranded aluminum wires typically used in overhead power lines. The outer strands are aluminum, chosen for its excellent conductivity, low weight and low cost. The center strand is of steel for the strength required to support the weight without stretching the aluminum due to its ductility. This gives the cable an overall high tensile strength. 

ACAR – All Conductor Alloy Reinforced 

Used as bare overhead transmission cable and as primary and secondary distribution cable. A good strength‐to‐weight ratio makes ACAR applicable where both ampacity and strength are prime considerations  in  line design. For equal weight ACAR offers higher strength and ampacity than ACSR.  

ACSR‐TW ‐ ACSR with Trapezoidal Aluminum 

ACSR/TWD  is  ideal for replacement of existing conductor:  it offers the same diameter for  ice and wind but loading at higher ampacity than traditional ACSR designs. Angle and deadened structures must be carefully evaluated because of  the greater weight of  the conductor. The same  tangent structures may normally be used in installation.  

Zinc (Zn) Coated Steel Wire Core 

The steel wires are coated with zinc to improve corrosion resistance. The technology used is either “hot dip galvanizing” or “electro‐galvanizing”. Hot dip plating  involves passing  the steel wire  through a molten zinc bath whereas electro‐galvanizing involves electroplating. 

Galfan, which  is  Zn‐5% AL,  is  the most  rapidly  growing hot dip process  and provides  improved  corrosion resistance over conventional Zn. Once coated, the wire can be used as is or can be redrawn.   The wires are stranded to produce a single wire, 7‐wire or 19‐wire core.  

Using ACSR & ACCR with Shaped Conductors 

The  latest  evolution  in  overhead  conductors  since  the  introduction  of  conventional  Aluminum  Steel Reinforced  Conductor  (ACSR)  is  the  development  of  a  strand  using  shaped  wire  instead  of  round  wire aluminum conductors  in combination with composite core. Due  to  its  light weight and high strength,  this core, patented by 3M, can provide a cable with transmission capacities from two to three times greater than those  of  existing  systems.  The  high‐performance  3M  brand  composite  conductor  is  known  as  ACCR (Aluminum  Conductor  Composite  Reinforced).  In  addition,  regarding  the  current  carrying  material,  the tendency nowadays  is  to use Aluminum Alloy. However, more often we  find  customers  using Aluminum Zirconium Alloy which has a greater thermal limit. 

It does not matter if the project is in an industrialized area or big city, most of the points that are pushing the companies into shaped wire conductors can be summarized in using the following points: 

1. Very high cost to install new power line 2. Too difficult to acquire new tower sites and right of way 3. Time constraints where for some projects there is not enough time to build a new site 4. Popular feeling against construction of high voltage overhead lines in urban and suburban areas 

 

Why Shaped Wires: 

Each  trapezoidal  segment must be  specifically designed  for  each  cross  section  and  each  layer within  the cross  section.  If  you  then  consider  the  geometries  of  the  numerous  strands,  the manufacturing  cost  to produce these trapezoidal segments is higher than producing conventional round wires.  

So why would you do it? 

The objective  is to manufacture strands with max possible reduction of  interstices, the free space between the wires. Traditionally this is accomplished by compacting the strand after it is formed.  Unfortunately, this process  is  limited to compacting ratios of 90‐92%. To achieve these compaction rates, capstans which can produce sufficient pull to compact the strands are required.   Furthermore, while the smaller cross sections can be produced efficiently the larger cross sections become problematic.  

Therefore,  since  the objective  is  to  reduce  the  space between  the wires by deforming  them,  it  stands  to reason  that  if  you  start with  a  deformed,  trapezoidal wire  the  amount  of work  needed  to  produce  the compacted conductor is reduced significantly. 

But why shaped conductors?   The answer becomes obvious  if you consider the following:  If you produce a given cross section, and you use  trapezoidal wire,  the diameter  is smaller. This  in  turn means  that all  the downstream equipment which  is diameter sensitive can be reduced.   For example:    If the product requires insulation, you will use  less plastic.    If the cable  is eventually cabled  into a triplex or a quad  it will also be smaller in diameter.  See the example below: 

 

EQUIVALENT DIAMETER 

Instead of manufacturing a smaller diameter conductor for the “equivalent” circular area, the design of the trapezoidal shapes can be enlarged and yield a greater cross‐sectional area of aluminum and matching the diameter of the original conventional round conductor. 

The  resulting  conductor  has  the  same  diameter  as  the  conventional  conductor,  but with  a much  larger Aluminum cross‐sectional area, this means you can  increase the Aluminum content by 20‐25%, decreasing the AC resistance by 15 to 20% and significantly increase the current carrying capacity of an existing line. 

However,  if  the objective  is  to  increase current carrying capacity and you are not attempting  to decrease diameter you can increase the cross section while maintaining the same diameter.   See the example below: 

 

EQUIVALENT AREA 

Trapezoidal  conductors  utilize  aluminum  pre‐shaped wires  prior  to  stranding  to  provide  a  smooth  outer surface and fit together to reduce the interstitial empty space and finally to allow a smaller overall diameter of the conductor.  

Trapezoidal conductor has the same Aluminum cross‐sectional area as the Conventional conductor, but with smaller  overall  diameter.    The  result  is  a  conductor  that  has  a  diameter  approximately  10%  smaller. Therefore you can increase the cross section and increase the current carrying capacity and still maintain the same diameter. 

Traditional  conductors,  ACSR  (Aluminum  conductor  steel  reinforced)  using  round  conductors  are  being substituted with newly developed products such as: 

• ACSR/TW (Aluminum conductors steel reinforced/trapezoidal wires with internal gap)  • ACSS/TW (Aluminum conductors steel supported/trapezoidal wires)  • ACCR (Aluminum conductors composite reinforced)  

 

Trapezoidal Gap Design “Self‐dampening” Alcan Cables 

                      

In  some  cases,  a  high  performing material  with  extra  high  conductivity  Al  Alloy,  composite  wires  with oriented Alumina fibers in AL matrix (3M patented product can be used.  What Benefit do you get from ACCR?  Electric power  is the engine that drives economic growth. As utilities continue to expand the electrical grid the demand for more power is ever increasing.  In some cases additional power is required in mature areas where  the  replacement of existing  infrastructure  is  just not economically  feasible.   But what  if you  could increase the amount of power you could deliver by changing the cable without having to change the towers. 

The 3M ACCR core  is stranded  from wires that are composed of Alumina  fibers which are embedded  into high purity aluminum.  Compared to conventional ACSR, which has a steel core, the ACCR cable exhibits half the thermal expansion therefore less sag at high energy levels and has twice the strength to weight ratio. 

This enables you  to produce a cable with  the characteristics  that  result  in  two or more  times  the current carrying  capacity  in a  cable  that puts  less  stress on  the  structures. Also  since  the  core  is  lighter, you  can increase the amount of current carrying conductor and eliminate the need for new towers, land acquisition and the inherent problems with environmental impact by maintaining the same cable weight but increasing the current carrying to weight ratio. 

ACCR ‐ Aluminum Conductor Composite Reinforced 

Compared to the same diameter steel core conductor 3M ACCR can offer as much as: 

• Half the thermal expansion for less sag at high energy levels • Twice the strength to weight ratio • Operating temperatures up to 210°C continuous and 240°C emergency for up to 1,000 hours 

cumulative • More conductivity 

 

 

These properties allow you to triple the capacity of your transmission line without adding tension or weight to your structures – maximum amps with no compromises. 

3M ACCR is an advanced transmission conductor designed to replace ACSR on existing structures, giving you up to two to three times the capacity without the risks of a major construction project.  

• Reduce construction outages • Speed up and simplify permitting • Reduce project schedule  • Increase budget certainty • Minimize new environmental impacts on existing rights of way 

 

       

Now that we have  introduced the available solutions we need to understand the reason why the market is moving  into  trapezoidal  Aluminum  shape wire  conductors. When  considering  an  upgrade  to  an  existing infrastructure or the  installation of new power  line, several constants are always present; the demand  for more  electricity  in  the  most  efficient  way  and  the  least  amount  of  environmental  impact  must  be considered.  

The  solution  for  the  above  problem,  in  most  cases,  is  RE‐CONDUCTORING  of  existing  lines  with  high temperature & low sag conductors carrying higher power. This enables you to utilize the existing tower and in most cases the existing clamping, while still being able to have more power transmission capacity. 

 

 

New headquarters of Sictra and Cortinovis located in Valbrembo (BG) 

Sictra Wire Drawing: 

SICTRA is well known worldwide for its experience in the field of the wire drawing of non‐ferrous materials. Sictra has been part of The EUROLLS Group since 2008. 

In  January 2011 Cortinovis Machinery  integrated Sictra  into  the Cortinovis Company making  it a  separate wire drawing division within Cortinovis Machinery S.p.A. At this time we also took this opportunity to change our  historical  logo  to  a  new  one  combining  the  two  brands  and  their  logos  into  a  unique  one  while maintaining the brand and individual experience of each company. 

This continuity of the new division was maintained by retaining the original Sictra management and technical staff headed by Mr. Giorgio Monti.   Mr. Monti  is  the original  founder of  Sictra with more  than 40  years experience in the field. Today the new division continues the innovation of products enabling SICTRA to offer high quality practical solutions which have become a benchmark  in  the NON‐FERROUS wire  industry. This continued commitment to the industry has resulted in numerous innovative solutions to the manufacturing equipment we produce for the wire and cable industry. Our main products include:  

Rod break down, drawing machines for single or dual wires, pay‐offs, annealers, and a variety of take‐ups for various solutions. 

For all types of the overhead conductors, the initial process will be wire drawing. The Sictra division has a full range of non‐ferrous wire drawing machines working successfully in the wire & cable industry all around the globe.  

In this writing we will present a new concept of Rod Break Down machine designed specifically for Aluminum and Aluminum Alloy for round, trapezoidal and shaped wire. 

Cortinovis Machinery Stranding: 

Cortinovis was established in 1881. In the early years, the company’s core business was a foundry for bronze and  cast  iron;  the  company  also  had  a workshop where mechanical work was  done  as  a  subcontractor, mainly for manufacturing tools for small industries and for the agricultural industry. 

In  the  early  part  of  the  20th  century  the  company  started  to  develop  and  design  its  own  products  and technology. From  the 20’s  to  the beginning of World War  II,  the  foundry and  the workshop continued  to develop, making the Company one of the most renowned foundries and mechanical workshops in the area. 

Immediately after World War  II, Cortinovis took advantage of the close vicinity of one of the  largest cable manufacturers, which was based in Milan and entered into the cable machinery business, a sector, which the Company would never leave. 

Cortinovis  has  introduced  numerous  new  solutions,  earning  the  reputation  as  a machinery  producer  of innovative  designs  and  machines  to  fulfill  customer  production  requirements.    Cortinovis  went  on  to establish worldwide presence in markets such as South East Asia, North and South America, Europe, and the Middle East.  In order to serve these markets better we have established Cortinovis companies  in the  local markets such as Cortinovis Machinery America, Cortinovis Do Brazil and a service center  in Cairo providing service to our customers in the Middle East.  Recently we have set up an after sales organization in China in order to be able to provide a more efficient service to our Chinese and South East Asian customers.   

Together,  our  companies  are  able  to  supply  a  complete  solution  for  upgraded  the  overhead  conductor solution.  

Systems integration & responsibility to provide total systems solutions 

Total technical capabilities providing innovative high‐quality products and services  

In‐house experienced cable process engineers and manufacturing engineers 

Short decision chain ‐ to anticipate and take advantage of changes in the market 

Products tailored for the market 

 

 

 

 

Cortinovis Sictra – Your Complete Solution Supplier 

 

Once  you  have  determined  the  best  engineering  solution  for  your  power  grid  requirements.  The  first manufactured process will be to assemble the core.  

 

 

The stranded central core  is prepared using a specialized piece of equipment such as a Cortinovis Tubular Strander. 

 

 

 

At the exit of the Tubular Strander a special performer device is required for steel, galvanized steel wire and Aluminum Clad steel wire to form the wire into the required helix. 

 

The Tubular Strander can also be used as an alternative to the rigid strander to complete the stranding of the Aluminum or Aluminum alloy  into the finish conductor.   However, the Tubular Strander must be equipped with  a  driven  articulating  joint  for  central  core,  a  cradle with  suitable  braking  system,  shallow  deviating angles for the wires and central core and finally the wire passages must be  increased to accommodate the galvanized wires and the core diameter.  

 

However, for larger cross sections the preferred stranding machine for the construction of the overhead conductor is the rigid strander, typically with 54 bobbins with a diameter of 630mm. 

Once you have settled on a core design you need to prepare the wire to be stranded around the core, the wire can be round, trapezoidal or shaped. 

   

To manufacture the above shapes a SICTRA ROD BREAK DOWN machine can be used to draw the specific wire. 

PATENTED Rotating Joint Device 

Required for center core in the second pass of the core 1+6+12  

 

The Sictra Rod Break Down line integrates a pay‐off system which is selected according to the material being processed (Aluminum or Aluminum Alloy). The Rod break down machine itself can be a gear driven type with a single motor or multi‐motor type which includes a motor at each draw capstan. This selection is also based on the material being processed. 

 Sictra  offers  a wide  range  of  Rod  break  down  configurations  each  available with  a  different  number  of passages. The flexibility of the Sictra machines gives the customer the opportunity to customize the line for each  specific  product  requirement.  This  flexibility  of  design  and wide  range  of  technologies  is what  has distinguished the Sictra machines in the world. 

For  this  specific  application  the most  highly  recommended machine  is  one with  completely  submerged capstans.  Since the capstans are submerged in a solution, the foaming problem, which is caused when air is taken into the drawing lubricant/oil by the capstan while rotating is avoided. This foaming is quite commonly attributed to machines with partially submerged capstans 

The  submerged  capstan  approach  becomes  particularly  important  when  considering  in‐line  Aluminum annealing  process  system  (normally not  required  for overhead  conductors).  Since  the  aluminum  is never exposed to air, wire oxidation inside the drawing section is prevented.  

 

Our die‐holders design includes a hard metal pre‐drawing die location before each drawing die. This system (pre drawing die and drawing die) insures that the wire approaches the drawing die perfectly aligned.  This is a useful feature when drawing shaped wire since the quality of the wire is improved and life of the drawing dies is extended. Another important feature is the design of the drawing rings.  The Sictra drawing rings have a special conical/biconical surface to prevent the shaped wire from overlapping.  

We also include a die holder in the top for free access during string up. 

 

The following is a typical die setting for shaped wire starting with an entry of 9.5mm Aluminum rod: 

 

Trapezoidal  shaped  wire  has  to  be  specially  designed  for  each  section  and  each  layer,  considering  the geometry of the strand. 

Depending on the  final section you wish to achieve, a different selection of round and shaped dies will be used.    If you select a controlled slip drawing machine the total wire will be decreased since the slippage  is not  cumulative  like  in  the  traditional  gear driven machine.  The  result of  less  slip  is  less  capstan wear.  In addition,  controlled  and  reduced  slip machines  produce  superior  surface  quality  as well  as  reduce  noise level. 

Our  twin  Rod  Break  Down machine  which  is  equipped  with  two  independent  final  capstans  gives  the possibility  to produce  two different diameter wires at  the same  time.   Furthermore you can also produce one  round wire  in  combination with  a  shaped  trapezoidal wire.  This  solution  gives  you  the possibility  to maximize  your  production, without  compromising,  the  production  since  the  two  lines  are  in  production simultaneously with different speeds. 

Our multi‐motor Rod Break Down machine is suitable for drawing materials with different elongations with controlled  slip.  This  would  be  advantageous  for  producers  who  want  to  draw  Aluminum  as  well  as  all different kinds of Aluminum Alloys 

Once the wires are drawn and placed on bobbins, we then turn our attention to stranding. When considering shaped wire stranding, small adjustments on our standard stranding machine are required. 

 

 

The machine must be equipped with a suitable pay‐off unit for central core. This payoff must provide a smooth transition from the bobbin to the Stranding line while maintaining a constant tension on the core. 

The core enters the first cage of the Rigid Cage Strander where it assembles the trapezoidal wires made on the Sictra Rod Break Down machine around the core prepared on the Cortinovis Machinery tubular strander to form a 6 wire layer. 

 

Once  the product exits  the 6 bobbin  cage  it enters  the  second  cage  (12 bobbins) where an additional 12 trapezoidal wires made on the Sictra Rod Break Down machine are placed over the previous wire  layer to form a 12 wire layer. 

 

At the exit of each cage a special device is required for trapezoidal and shaped wires to maintain the trapezoidal shaped wires oriented according to the position in the strand. 

 

  

For cables made from round wire and whenever Aluminum alloy material is selected, a performer is required. In addition a special lay plate and lubrication are required at the die stand to complete the process. Finally, a larger capstan with round grooves is recommended. 

 

             

           

         Internal view of the final cable composition 

 

Our technical capabilities and our experienced cable process engineers can assist our customers with total project management which includes the selection of the proper equipment, installation requirements, supervision of the installation and production trials.  

 

 

AT CORTINOVIS SICTRA WE BELIEVE THAT OUR SUCCESS IS YOUR SUCCESS

 

Our facility in Monterey, Mexico  (EUROLLS DE MEXICO) can handle the production of new TUNGSTEN CARBIDE rollers and can regrind worn rolls that 

are no longer in tolerance. 

Our Mission 

Innovative solutions in Stranding and Cabling that can handle the increased productivity requirements, take advantage of the latest technological advances, improve process efficiency, and 

reduce downtime. 

Technology 

Through intelligent design, based on years of experience in the rotating machinery market, we can supply a comprehensive solution to the complex cabling requirements of today and tomorrow. 

Partnership 

We consider each and every customer to be a potential lifelong partner. Through this type of partnership, we work together for the benefit of both organizations. We will continue to supply high value added, high quality products and services and the measure of our success will be……. 

Total Customer Satisfaction 

1014A Route 173 Bloomsbury, N.J. 08804 Phone: 908-479-9818

Fax: 908-479-1644 E-mail: Cortinovis@cortinovisamerica.com

Website: Cortinovisamerica.com

All of the Eurolls Group Companies which include Eurolls SpA, Cortinovis Machinery SpA, Teurema S.L., Sictra  Spa, and Vitari SpA are exclusively represented by Cortinovis Machinery America, Inc. in North America.