Breve Storia del Passato e del Presente degli Interruttori a Vuoto ad Alta Tensione

Interruttori a vuoto ad alta tensione: una panoramica

Introduzione

Gli interruttori a vuoto ad alta tensione (HV VCBs) sono emersi come un'alternativa valida agli interruttori tradizionali isolati con gas SF6, in particolare nelle applicazioni che richiedono commutazioni frequenti e costi di manutenzione ridotti. A partire dal 2014, gli HV VCBs sono stati sempre più adottati come alternativa agli interruttori a gas ad alta tensione, offrendo una soluzione più verde e sostenibile eliminando l'uso dello SF6, un potente gas serra.

L'apparato di commutazione a vuoto è stato ampiamente utilizzato nei sistemi di distribuzione per oltre tre decenni, principalmente per la commutazione di correnti di cortocircuito e di carichi di vari tipi. La affidabilità e le prestazioni della tecnologia di commutazione a vuoto nella gamma di tensioni medio-alte (fino a 52 kV) sono state eccezionali, portando alla sua predominanza nei sistemi di distribuzione. Tuttavia, gli sforzi per estendere la tecnologia di commutazione a vuoto ai livelli di tensione di trasmissione sono iniziati già negli anni '60, con importanti traguardi raggiunti intorno al 1980, quando i primi interruttori a vuoto ad alta tensione sono stati installati in Giappone. Entro il 2010, circa 10.000 HV VCBs erano in funzione, principalmente in ambiti industriali ma anche in applicazioni di servizio pubblico. La preferenza per la tecnologia a vuoto rispetto allo SF6 era motivata dalla sua capacità di gestire operazioni di commutazione frequenti e dai requisiti di manutenzione inferiori.

Negli Stati Uniti, gli interruttori a condensatore a vuoto sono stati utilizzati per diversi decenni a tensioni fino a 242 kV. Intorno al 2008, programmi intensivi di ricerca e sviluppo (R&D) in Cina e in Europa miravano a sviluppare HV VCBs, con l'obiettivo di ridurre o eliminare l'uso dello SF6. Ciò ha portato all'introduzione di prodotti capaci di operare a tensioni fino a 145 kV. In Cina, si prevede che l'adozione rapida di HV VCBs in applicazioni commerciali continui, con centinaia di unità già in servizio a livelli di tensione fino a 126 kV. In Europa, i test sul campo sono in corso per validare le prestazioni dei dispositivi omologati prima che entrino sul mercato.

Tecnologia e progettazione

Tutti i prodotti HV VCB si basano sulla consolidata tecnologia di interruzione a vuoto a tensione medio-alta, che è stata affinata nel corso degli anni. Non sono state necessarie caratteristiche tecniche fondamentalmente nuove per estendere questa tecnologia a livelli di tensione superiori. La principale sfida sta nell'adattare la geometria dell'interruttore per accogliere i livelli di tensione più elevati. Ad esempio, il diametro e la lunghezza del gap di contatto devono essere aumentati per gestire tensioni superiori a 52 kV. In alcuni casi, per tensioni superiori a 126 kV, vengono impiegati due gap a vuoto in serie per garantire un funzionamento affidabile.

Caratteristiche operative

• Gestione delle correnti normali: Per correnti normali fino a 2.500 A, non ci sono differenze significative tra gli HV VCBs e gli interruttori a gas SF6. Tuttavia, ottenere valori di corrente superiori (oltre 2.500 A) negli HV VCBs è impegnativo a causa della generazione di calore da parte della struttura di contatto e della limitata capacità di trasferimento di calore dell'interruttore.

• Monitoraggio: È più facile monitorare la qualità del mezzo di interruzione negli interruttori a gas SF6, poiché il grado di vuoto negli HV VCBs non può essere praticamente monitorato durante il servizio.

• Operazioni di commutazione: Gli HV VCBs possono eseguire un numero maggiore di operazioni di commutazione rispetto agli interruttori a gas SF6, grazie alla maggiore resistenza del sistema di contatto a vuoto all'arco. Questo rende la tecnologia a vuoto particolarmente attraente per applicazioni che richiedono commutazioni frequenti, come le operazioni quotidiane.

• Energia di comando: Ad una tipica tensione nominale di 72,5 kV, l'energia di comando richiesta per un interruttore a vuoto è significativamente inferiore, circa il 20% di quella richiesta per un interruttore a gas SF6 equivalente. Le dimensioni fisiche dei due tipi di dispositivi sono comparabili.

• Configurazione dell'interruttore: Al di sopra di 145 kV, gli HV VCBs possono richiedere più di un interruttore in serie, mentre la tecnologia SF6 ha implementato con successo interruttori a singola interruzione fino a 550 kV dal 1994, ampiamente utilizzati in molti paesi.

• Caratteristiche dell'arco: La tensione dell'arco negli HV VCBs è molto inferiore a quella degli interruttori a gas SF6, tipicamente compresa tra decine di volt rispetto a centinaia di volt nello SF6. Inoltre, la durata dell'arco durante la commutazione di un guasto è più breve negli apparecchi a vuoto, con un tempo minimo di arco di 5-7 ms rispetto a 10-15 ms per gli interruttori a gas SF6. Ciò comporta un numero maggiore di possibili operazioni di commutazione per gli HV VCBs.

• Emissioni di raggi X: Gli HV VCBs con tensioni nominali fino a 145 kV emettono raggi X entro il limite standardizzato di 5 µSv/h in condizioni operative normali. Gli interruttori a gas SF6 non emettono raggi X.

Caratteristiche elettriche

• Interruzione di corrente di guasto: Gli HV VCBs eccellono nell'interruzione di correnti di guasto con tassi di aumento molto ripidi della tensione di recupero transitoria (TRV) a causa del loro rapido recupero dielettrico, che è più veloce rispetto a quello degli interruttori a gas SF6.

• Statistiche di rottura: Sebbene i gap a vuoto abbiano teoricamente tensioni di rottura molto elevate, c'è una piccola probabilità di rottura a tensioni relativamente moderate. I gap a vuoto possono anche sperimentare rotture spontanee tardive, che avvengono fino a diversi centesimi di secondo dopo l'interruzione della corrente. Tuttavia, le conseguenze di tali eventi sono limitate poiché il gap a vuoto ripristina immediatamente la propria isolazione. Le implicazioni del sistema di rottura tardiva non sono ancora completamente comprese.

• Commutazione di carichi induttivi: In applicazioni che coinvolgono carichi induttivi, come la commutazione di reattori shunt, gli HV VCBs tendono a sperimentare un numero maggiore di riaccensioni ripetute a uno zero di corrente di frequenza d'onda. Questo è dovuto alla capacità del vuoto di interrompere correnti ad alta frequenza che seguono la riaccensione. Gli effetti di queste transizioni di riaccensione sugli apparati interagenti, come i snubber RC e gli arrestatori a ossido metallico, sono attualmente oggetto di indagine.

• Commutazione di banche di condensatori: Quando si commutano banche di condensatori, è cruciale evitare correnti d'inserimento molto elevate, poiché possono degradare le proprietà dielettriche del sistema di contatto attraverso archi pre-strike. Questa sfida riguarda sia gli HV VCBs che gli interruttori a gas SF6. Le strategie di mitigazione includono l'uso di reattori in serie o la commutazione controllata, sebbene ci sia poca esperienza sul campo con quest'ultima per gli HV VCBs.

Prospettive future e percezione del mercato

Un sondaggio condotto tra gli utenti di apparati di commutazione ad alta tensione ha rivelato che l'assenza di SF6 è vista come il principale vantaggio della commutazione a vuoto, a condizione che l'isolamento esterno sia anch'esso privo di SF6. Tuttavia, la mancanza di un'ampia esperienza di servizio a livelli di tensione di trasmissione rimane una significativa esitazione per l'adozione diffusa degli HV VCBs. Nonostante ciò, i benefici ambientali e le vantaggi operative della tecnologia a vuoto stanno alimentando un interesse e uno sviluppo continuo in questo settore.

Gli utenti potenziali di interruttori a vuoto ad alta tensione (HV VCBs) sollevano spesso preoccupazioni riguardo alla generazione di sovratensioni a causa del taglio della corrente e la possibilità di emissioni di raggi X durante le operazioni di commutazione. Questi problemi sono cruciali per assicurare un funzionamento sicuro e affidabile degli HV VCBs, specialmente considerando che sono sempre più presi in considerazione per applicazioni a tensione di trasmissione.

Emissioni di raggi X

Per i dispositivi a singola interruzione, le emissioni di raggi X dagli HV VCBs con tensioni nominali fino a e inclusi 145 kV rimangono ben al di sotto del limite standardizzato di 5 µSv/h in condizioni operative normali. I dispositivi multi-interruzione mostrano livelli ancora inferiori di emissioni di raggi X. Questo è un aspetto importante per la conformità normativa e la sicurezza, in quanto garantisce che gli HV VCBs possano essere dispiegati senza presentare rischi significativi di radiazioni per il personale o l'ambiente.

Progetti pilota

La maggior parte dei rispondenti ha espresso un forte interesse a iniziare progetti pilota per acquisire esperienza pratica con la tecnologia HV VCB. Tali progetti permetterebbero alle utility e agli operatori di sistema di valutare le prestazioni, l'affidabilità e le caratteristiche operative degli HV VCBs in condizioni reali. Si consigliano reti solidamente terra per questi progetti pilota, poiché le condizioni di rete nei sistemi a tensione medio-alta non sono sempre paragonabili a quelle dei reti di trasmissione, in particolare in termini di condizioni di terra. Questo approccio aiuterà a garantire che le esperienze acquisite siano pertinenti e applicabili alle applicazioni a livello di trasmissione.

Standardizzazione

Lo standard IEC corrente per interruttori, IEC 62271-100, ha un forte focus sulla tecnologia di commutazione a gas SF6, che potrebbe non affrontare pienamente le caratteristiche e le sfide uniche della commutazione a vuoto. Ad esempio, i test che sono impegnativi per lo SF6, come i test di guasto su linea corta, potrebbero non essere così critici per la tecnologia a vuoto. Viceversa, l'applicazione di una tensione di recupero continua nei test sintetici, che è meno rilevante per lo SF6, potrebbe essere più importante per dimostrare l'assenza di rottura tardiva negli interruttori a vuoto. Man mano che gli HV VCBs guadagnano maggiore trazione, potrebbe esserci la necessità di rivisitare o integrare gli standard esistenti per meglio accomodare la tecnologia a vuoto.

Implicazioni tecniche del design senza SF6

Quando lo SF6 è assente come mezzo isolante esterno, devono essere considerate altre implicazioni tecniche. Ad esempio, metodi di isolamento alternativi potrebbero richiedere pressioni più elevate, peso maggiore, impronta più ampia o diverse considerazioni di progettazione per garantire prestazioni di isolamento adeguato. I produttori stanno attivamente esplorando queste alternative per sviluppare sostituti praticabili per lo SF6, ma fino a quando non verrà trovata una nuova tecnologia che possa coprire tutti i livelli di tensione, lo SF6 rimarrà probabilmente essenziale per alcune applicazioni di rete di trasmissione.

Impegno dei produttori

I produttori sono impegnati a sviluppare e rendere disponibili alternative industrialmente praticabili alla tecnologia SF6. Sebbene lo SF6 sia stato il gas isolante dominante per le applicazioni ad alta tensione a causa delle sue eccellenti proprietà dielettriche, le preoccupazioni ambientali associate allo SF6, in particolare il suo alto potenziale di riscaldamento globale, hanno spinto la ricerca di soluzioni più verdi. Gli HV VCBs rappresentano una tale soluzione, offrendo un'alternativa sostenibile per applicazioni che richiedono commutazioni frequenti e manutenzione ridotta. Tuttavia, la transizione dall'SF6 sarà graduale, poiché i produttori continuano a innovare e a perfezionare nuove tecnologie per soddisfare le diverse esigenze dell'industria elettrica.