Introduzione
Nei sistemi di potenza, gli interruttori automatici vengono utilizzati per commutare apparecchiature elettriche e reti in condizioni normali e di guasto. La funzione principale di un interruttore automatico è interrompere il flusso di corrente (carico o cortocircuito) aprendo i suoi contatti e isolando così le parti commutate del sistema. Il design e il funzionamento di un interruttore automatico dipendono dalla sua applicazione e dal suo livello di tensione. Tecnologia a cassa stampata (con aria a pressione atmosferica) viene utilizzata a basse tensioni (< 1000 V), mentre interruttori ad aria compressa e interruttori a vuoto sono prevalenti a medie tensioni (< 72 kV). Interruttori automatici SF6 sono normalmente utilizzati per sistemi ad alta tensione (> 72 kV).
Disconnessione di un Carico Interruzione di un Guasto
Gas SF6
Gli interruttori automatici SF6 utilizzano il Gas Esafluoruro di Zolfo (SF6) come mezzo isolante circostante per estinguere l'arco stabilito tra i contatti mobili dell'interruttore. Ha molte caratteristiche favorevoli che lo rendono un candidato ideale per l'isolamento nelle moderne apparecchiature di commutazione ad alta tensione:
- Alta resistenza dielettrica (circa 8-9 volte maggiore dell'aria a 5 bar di pressione).
- Elettronegativo in natura, cioè cattura elettroni liberi formando ioni pesanti con bassa mobilità che impediscono un tipo di rottura a valanga.
- Buona capacità di trasferimento termico, alta energia di ionizzazione e bassa temperatura di dissociazione che risultano in eccellenti proprietà di estinzione dell'arco.
- Molto alta conduttività elettrica a temperature elevate dimostrando bassa tensione d'arco
- Incolore, inodore, inerte e non velenoso.
Alcuni dei svantaggi del gas SF6 sono il suo alto costo, la sua tendenza a formare fluoruri metallici corrosivi durante l'arco e il fatto che sia un gas serra.
Tipi di Interruttori Automatici SF6
Attualmente, gli interruttori automatici SF6 possono essere classificati in due categorie principali:
- Serbatoio morto – involucro a potenziale di terra.
- Serbatoio vivo – involucro a potenziale di linea.
I design a serbatoio morto possono offrire una maggiore capacità di interruzione della corrente di cortocircuito e valutazione sismica ma sono relativamente ingombranti (richiedono più gas SF6), mentre i design a serbatoio vivo sono modulari e più compatti.
Interruttore Automatico a Serbatoio Vivo
Interruttore Automatico a Serbatoio Morto
Esistono anche diversi modi in cui la corrente elettrica (e il conseguente arco) in un interruttore automatico SF6 può essere interrotta. Questi tipi includono: doppia pressione (ora obsoleta), singola pressione (anche chiamata puffer), auto-soffiante (dove l'energia dell'arco supporta l'aumento di pressione nella camera dell'arco), arco rotante (l'arco ruota elettrodinamicamente in un gas di fondo freddo) e tecnologia a doppio movimento (con due contatti mobili). Inoltre, il meccanismo di azionamento dell'interruttore automatico può essere di tipo idraulico o a molla.
Per il resto di questo articolo, esamineremo più in dettaglio l'assemblaggio di base e il funzionamento di un interruttore automatico isolato a gas SF6 che utilizza tecnologia a singola pressione (puffer) con un meccanismo di azionamento a molla; questo è il tipo più ampiamente utilizzato nell'industria ad alta tensione.
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Costruzione e Componenti Principali
Un assemblaggio completo di un interruttore automatico SF6 di tipo puffer a singola pressione è composto dalle seguenti parti:
Unità Interruttore
La separazione dei contatti dell'interruttore automatico, l'estinzione dell'arco risultante e l'interruzione della corrente avvengono nell' unità interruttore. Essa ospita due set di contatti comunemente chiamati ‘principali’ o ‘normali contatti portanti di corrente’ e ‘contatti di arco’. Entrambi i tipi di questi set di contatti hanno un contatto fisso mentre l'altro contatto è in grado di muoversi. I portatori di corrente (che forniscono connessione ai terminali esterni dell'interruttore automatico) sono collegati ai contatti principali fissi e mobili. Le punte di tutti i contatti dell'interruttore automatico sono rivestite con un materiale resistente all'arco in rame-tungsteno.
Il corpo principale dell'interruttore (che è riempito con gas SF6) contiene un cilindro puffer mobile che può scorrere assialmente verso l'alto e verso il basso lungo i contatti. C'è un pistone fisso all'interno del cilindro che è fissato con altre parti fisse dell'interruttore automatico SF6, in modo tale che non possa cambiare posizione durante il movimento del cilindro. Un ugello è situato all'apertura del cilindro.
Componenti Principali dell'Interruttore Automatico SF6
Colonna Isolante
L'unità interruttore è montata verticalmente su una colonna isolante che è composta da un isolante cavo che incapsula l' asta di azionamento che collega il meccanismo di azionamento meccanico dell'interruttore automatico ai contatti mobili alloggiati all'interno dell' interruttore. A seconda del livello di tensione del sistema, la colonna isolante può essere un pezzo unico o più segmenti accoppiati meccanicamente in serie. Come qualsiasi altro isolante, fornisce una distanza di arco a secco e creepage adeguata per prevenire scariche associate a sovratensioni transitorie e inquinamento ambientale. L'intera unità dell'interruttore automatico è solitamente fissata su una struttura in acciaio che la assicura a una fondazione in cemento incassata.
Meccanismo di Azionamento Meccanico
L'apparato di azionamento fornisce l' energia cinetica necessaria per aprire e chiudere i contatti dell'interruttore automatico. Consiste in un set di molle di apertura e chiusura che vengono caricate manualmente o con l'aiuto di un piccolo motore elettrico.
Pannello di Controllo
Il cubicolo di controllo comunica tra il meccanismo di azionamento meccanico dell'interruttore automatico, la protezione del sistema (relè) e i dispositivi di supervisione. Può essere configurato per un'impostazione operativa ‘remota’ o ‘manuale’.
Interruttore Automatico SF6 a Serbatoio Vivo da 245 kV (Singolo Interruttore)
Componenti Aggiuntivi
Ad altissima tensione (solitamente 380 kV e oltre), a causa delle esigenze economiche di produzione e dei requisiti di progettazione, l'interruttore automatico SF6 può presentare differenze significative nella costruzione e può anche includere componenti aggiuntivi:
- Invece di un' unità interruttore singola, due o più unità interruttore sono collegate in serie (e montate orizzontalmente sulla colonna isolante). Per tali interruttori automatici, i condensatori di gradazione (C) sono collegati attraverso gli interruttori per equalizzare la tensione su di essi.
- Per applicazioni di commutazione di linee di trasmissione, questi interruttori automatici possono essere dotati di resistori di pre-inserzione (PIR) per smorzare alte magnitudini di sovratensioni transitorie. Questi PIR (normalmente da 300 a 600 ohm) sono collegati in parallelo con i contatti principali dell'interruttore. Vengono inseriti nel circuito per un intervallo di tempo specificato (8-12 ms) prima che i contatti principali dell'interruttore siano chiusi.
Configurazioni Diverse di Interruttori Automatici SF6
- I terminali di connessione esterni sono dotati di anelli di gradazione per garantire che le sollecitazioni del campo elettrico sulla superficie del terminale non superino l' inizio della corona
Interruttore Automatico SF6 a Serbatoio Vivo da 550 kV (Due Interruttori in Serie)
Come Funzionano gli Interruttori Automatici SF6
Condizione Normale
In condizioni normali, i contatti dell'interruttore automatico sono chiusi e la corrente fluisce da un portatore di contatto all'altro attraverso i contatti principali e il cilindro puffer scorrevole.
Operazione di Apertura dell'Interruttore Automatico
Quando il pannello di controllo dell'interruttore automatico riceve un comando di apertura (per eliminare un guasto o disconnettere parte di una rete), invia un segnale alla bobina di sgancio del meccanismo di azionamento meccanico, che a sua volta rilascia il fermo che tiene la molla di apertura carica. Quando la molla di apertura si scarica, tira l' asta di azionamento (collegata all'interruttore) in una direzione lineare, il che provoca il movimento verso il basso dei contatti mobili e del cilindro puffer.
Il movimento del cilindro puffer contro il pistone fisso porta a una diminuzione del volume interno del cilindro puffer, che causa la compressione del gas SF6 all'interno del cilindro. A causa della sovrapposizione dei contatti, la compressione del gas inizia prima che i contatti si aprano. Man mano che il movimento verso il basso continua, i contatti principali si separano e la corrente si commuta sui contatti di arco che sono ancora in posizione chiusa (a causa della loro costruzione fisicamente più lunga). Durante il corso dell'apertura, i contatti di arco iniziano a separarsi e si stabilisce un arco tra di loro.
Operazione di un Interruttore Automatico SF6 di Tipo Puffer
Quando l'arco fluisce, blocca in qualche misura il flusso del gas SF6 attraverso l' ugello. Pertanto, la pressione del gas nel cilindro puffer continua ad aumentare. Quando la forma d'onda della corrente sinusoidale si avvicina allo zero, l'arco diventa relativamente debole e il gas SF6 pressurizzato all'interno del cilindro puffer scorre assialmente (attraverso l'ugello) lungo la lunghezza dell'arco. Questo soffio di gas SF6 rimuove l' energia termica nello spazio tra i contatti e riduce il grado di ionizzazione (conduttività elettrica) tale che l'arco si estingue.
Quando l'arco è interrotto, la tensione di recupero transitoria (TRV) inizia ad apparire sui contatti; la velocità di apertura dei contatti dell'interruttore automatico dovrebbe essere sufficientemente veloce da creare una distanza di separazione adeguata per resistere a questo stress di tensione. Nel caso in cui la resistenza dielettrica dello spazio tra i contatti sia inferiore allo stress TRV, l'arco verrà ristabilito in un fenomeno comunemente chiamato riaccensione o ristabilimento dell'interruttore automatico.
Operazione di Chiusura dell'Interruttore Automatico
Durante la sequenza di chiusura dell'interruttore automatico, la bobina di chiusura rilascia l'energia della molla di chiusura che provoca il movimento dei contatti l'uno verso l'altro, portandoli infine alla loro posizione normale chiusa. Allo stesso tempo, il gas SF6 viene risucchiato nel cilindro puffer rendendo l'interruttore automatico pronto per la prossima operazione.
Durante la chiusura, un interruttore automatico può talvolta sperimentare un evento noto come pre-scarica. Man mano che i contatti si avvicinano durante la chiusura, la resistenza dielettrica dello spazio tra i contatti diminuisce. A un certo punto, lo stress di tensione attraverso lo spazio tra i contatti supera la sua resistenza dielettrica, producendo un arco di ‘pre-scarica’ che collega i contatti.
Requisiti di Progettazione
Oltre alle caratteristiche generali normalmente associate a un interruttore elettrico, cioè bassa resistenza di contatto quando chiuso e isolamento quasi perfetto in condizioni aperte, un interruttore automatico SF6 ad alta tensione deve soddisfare ulteriori requisiti di progettazione. Tra questi, i più pertinenti sono brevemente descritti di seguito:
- Corrente nominale – le parti portanti di corrente dell'interruttore automatico devono essere in grado di trasportare la massima corrente di carico prevista senza superare l' aumento di temperatura
- Corrente di cortocircuito nominale – l'interruttore automatico deve avere la capacità di interrompere la massima corrente di cortocircuito della rete (valori standardizzati tipici sono 25, 40 e 63 kA).
- Tensione nominale e livello di isolamento – l' isolamento dell'interruttore automatico esternamente e attraverso i contatti, deve essere in grado di resistere a magnitudini specificate di bassa frequenza e sovratensioni transitorie.
- Ristabilimenti – durante l'interruzione della corrente capacitiva, la probabilità di ristabilimento (riaccensione) tra i contatti dell'interruttore automatico dovrebbe essere molto bassa.
- Resistenza meccanica – l'interruttore automatico dovrebbe essere in grado di sopportare un grande numero di operazioni (da 2.000 a 10.000) con manutenzione molto limitata.
- Tempo di apertura – per ottenere una distanza di separazione adeguata tra i contatti e per resistere alla TRV, un interruttore automatico deve aprirsi a una velocità estremamente rapida (nell'ordine di 40-60 ms).
- Sequenza operativa nominale – l'interruttore automatico è tenuto a completare in modo soddisfacente una sequenza operativa specificata. Per gli interruttori automatici a riarmo rapido, una sequenza tipica è: O-0.3sec-CO-3min-CO (dove O e C rappresentano rispettivamente apertura e chiusura, e 0.3sec e 3min sono ritardi temporali).
- Compiti di commutazione – durante il corso della sua vita di servizio, l'interruttore automatico dovrebbe essere in grado di svolgere con successo una varietà di compiti di commutazione (interruzione) che includono principalmente: guasti terminali e guasti di linea corta, trasformatore e commutazione di reattori, e interruzione di corrente capacitiva. In termini di richieste sull'interruttore automatico, questi diversi tipi di compiti di commutazione variano la magnitudine della corrente e della TRV che un interruttore automatico è tenuto a sopportare.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_hexafluoride_circuit_breaker