Interruttori a vuoto a bassa tensione: vantaggi, applicazioni e sfide tecniche
A causa della loro tensione nominale inferiore, gli interruttori a vuoto a bassa tensione hanno una distanza di contatto minore rispetto ai tipi a media tensione. In tali piccole distanze, la tecnologia del campo magnetico trasversale (TMF) è superiore al campo magnetico assiale (AMF) per l'interruzione di correnti di cortocircuito elevate. Durante l'interruzione di correnti elevate, l'arco nel vuoto tende a concentrarsi in un arco ristretto, dove le zone di erosione localizzate possono raggiungere il punto di ebollizione del materiale dei contatti.
Senza un controllo adeguato, le aree surriscaldate sulla superficie dei contatti emettono vapore metallico eccessivo, che può portare a un guasto dielettrico della distanza tra i contatti sotto la tensione di recupero transitoria (TRV) dopo lo zero di corrente, causando un fallimento dell'interruzione. L'applicazione di un campo magnetico trasversale, perpendicolare alla colonna dell'arco, all'interno dell'interruttore a vuoto fa ruotare rapidamente l'arco ristretto sulla superficie dei contatti. Ciò riduce significativamente l'erosione localizzata, prevenendo un aumento eccessivo della temperatura allo zero di corrente e migliorando notevolmente la capacità di interruzione dell'interruttore.
Vantaggi degli interruttori a vuoto:
I contatti non richiedono manutenzione
Lunga durata operativa, con la vita elettrica quasi uguale alla vita meccanica
Gli interruttori a vuoto possono essere montati in qualsiasi orientamento
Operazione silenziosa
Nessun rischio di incendio o esplosione; l'arco è completamente contenuto nella camera a vuoto sigillata, rendendoli adatti a ambienti pericolosi ed esenti da esplosioni come le miniere di carbone
Le prestazioni non sono influenzate dalle condizioni ambientali circostanti come temperatura, polvere, umidità, nebbia salina o altitudine
Capacità di sopportare alte tensioni attraverso piccole distanze a vuoto
Interruzione della corrente generalmente completata al primo passaggio allo zero di corrente
Ecologici e facilmente riciclabili
Gli interruttori a vuoto a bassa tensione offrono la stessa protezione complessiva, le ampie capacità di misurazione e le ricche funzionalità diagnostiche degli interruttori a bassa tensione convenzionali (ACB). Tuttavia, offrono vantaggi superiori, inclusa una maggiore resistenza elettrica e meccanica, un numero maggiore di operazioni di interruzione di cortocircuito nominali, una maggiore capacità di spegnimento dell'arco e una vera prestazione "zero flash di arco".
Queste caratteristiche li rendono particolarmente adatti a ambienti duri e a sistemi a alta tensione e bassa frequenza come AC690V e 1140V in configurazioni TN, TT e IT, comunemente trovate nelle applicazioni fotovoltaiche e eoliche. Consentono la creazione di sistemi di raccolta a alta tensione che riducono le perdite di trasmissione. Oltre alla protezione delle linee, questi interruttori possono anche proteggere motori (soddisfando i requisiti GB50055) e generatori (soddisfando gli standard GB755), fornendo agli utenti una soluzione di protezione distribuita a bassa tensione più sicura, affidabile e completa.
Perché gli interruttori a vuoto non sono utilizzati più diffusamente nelle applicazioni a bassa tensione?
La ragione principale risiede nelle significative esigenze energetiche del meccanismo di funzionamento:
Gli interruttori a bassa tensione utilizzano tipicamente meccanismi di funzionamento leggeri con componenti compatti. In contrasto, gli interruttori a vuoto richiedono molto più energia di funzionamento, specialmente quelli progettati per applicazioni ad alta capacità di interruzione. A causa della piccola distanza tra i contatti, l'estinzione dell'arco richiede un'energia intensa. Per resistere alle forze elettromagnetiche durante l'interruzione del guasto, è essenziale una pressione di contatto elevata. Ad esempio:
Un interruttore a vuoto da 31.5kA richiede una forza di contatto di circa 3200N.
Per mantenere una pressione adeguata dopo l'usura dei contatti, è necessario un viaggio di contatto di 4mm.
Conseguentemente, l'energia totale richiesta dall'ingaggio dei contatti fino alla chiusura completa è molto superiore a quella degli interruttori ad aria.
Le specifiche esigenze energetiche includono:
Pertanto, il meccanismo di funzionamento deve essere notevolmente rinforzato per soddisfare queste esigenze. Per un'applicazione a bassa tensione da 100kA, l'energia richiesta da un interruttore a vuoto supera la capacità dei meccanismi di funzionamento standard a bassa tensione.
È necessaria un'upgrade completa—molle di accumulo di energia più grandi, corsa di compressione delle molle aumentata, ecc. Alcuni meccanismi esistenti hanno una compressione minima (ad esempio, solo 25mm), e anche aumentando la rigidità delle molle non si può fornire energia sufficiente. Sono invece richiesti meccanismi con una corsa più lunga. Come visto negli interruttori a vuoto a media tensione, le molle azionate da camme spesso si estendono oltre i 50mm, consentendo un accumulo di energia sufficiente. Inoltre, la forza meccanica complessiva, la durezza e la rigidità del meccanismo di funzionamento devono essere potenziate per gestire le forze elevate coinvolte.
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