Condizioni di funzionamento sotto corrente di cortocircuito per apparati elettrici

Spiegazione Dettagliata del Flusso della Corrente di Chiusura e del Fenomeno Pre-Strike negli Apparecchi di Comando e Protezione
Negli apparecchi di comando e protezione, in particolare nei disgiuntori (CB) e nelle interruttrici di carico (LBS), il flusso della corrente di chiusura si riferisce al processo con cui un arco elettrico viene iniziato quando i contatti iniziano a chiudersi. Questo processo non inizia esattamente quando i contatti si toccano fisicamente, ma può verificarsi alcuni millisecondi prima a causa di un fenomeno noto come pre-strike. Di seguito è fornita una spiegazione dettagliata di questo fenomeno e delle sue implicazioni.
1. Pre-Strike: Inizio dell'Arco Prima del Contatto Fisico
•    Rottura Dielettrica: Mentre i contatti si avvicinano l'uno all'altro durante l'operazione di chiusura, il mezzo isolante (come aria, SF6 o vuoto) tra di essi subisce una rottura dielettrica. Questo accade perché il campo elettrico nella fessura tra i contatti aumenta man mano che si avvicinano. Quando la forza del campo supera la resistenza dielettrica del mezzo isolante, la fessura si rompe e viene iniziato un arco di commutazione.
•    Accumulo del Campo Elettrico: Il campo elettrico tra i contatti si accumula mentre si muovono l'uno verso l'altro. Questo campo è proporzionale alla tensione tra i contatti e inversamente proporzionale alla distanza tra di essi. Quando il campo diventa sufficientemente forte, provoca l'ionizzazione delle molecole di gas nella fessura, portando alla formazione di un percorso conduttivo per il flusso della corrente.
•    Inizio dell'Arco: L'arco viene iniziato prima che i contatti si tocchino realmente, tipicamente alcuni millisecondi prima. Questa iniziazione precoce dell'arco è chiamata pre-strike. Durante il pre-strike, l'arco si forma nella piccola fessura tra i contatti e la corrente inizia a fluire attraverso l'arco invece di aspettare che i contatti facciano contatto fisico.
2. Implicazioni del Pre-Strike
•    Fusione Eccessiva delle Superfici dei Contatti: Se l'energia coinvolta nel pre-strike è elevata, può causare una fusione eccessiva delle superfici dei contatti. Questo è particolarmente problematico in condizioni di cortocircuito, dove la corrente può essere estremamente alta. Il metallo fuso sulle superfici dei contatti può portare alla saldatura dei contatti, dove le due superfici si fondono insieme.
•    Saldatura dei Contatti: I contatti saldati possono impedire al dispositivo di commutazione di rispondere appropriatamente al successivo comando di apertura. Se il meccanismo di funzionamento degli apparecchi di comando e protezione non fornisce una forza sufficiente per rompere i punti saldati, il dispositivo potrebbe non aprirsi correttamente, portando a potenziali pericoli per la sicurezza e danni all'equipaggiamento.
•    Caratteristiche della Corrente di Cortocircuito: Le correnti di cortocircuito spesso contengono una componente continua, che può causare il valore di picco della corrente molto più alto rispetto a quella di un cortocircuito puro AC. Questo aumento del valore di picco della corrente può esacerbare gli effetti del pre-strike, portando a danni ai contatti più gravi e alla saldatura.
•    Dipendenza dalla Tensione dell'Arco: La tensione sull'arco (tensione dell'arco) dipende fortemente dal mezzo di interruzione utilizzato negli apparecchi di comando e protezione. Anche con lunghezze d'arco molto corte, possono verificarsi cadute di tensione significative vicino agli elettrodi. Questo perché la resistenza dell'arco non è uniforme lungo la sua lunghezza e le regioni vicine agli elettrodi tendono ad avere una resistenza maggiore a causa della concentrazione di calore e particelle ionizzate.
3. Chiusura in Condizioni di Cortocircuito
•    Disgiuntori (CB): Nei disgiuntori, l'operazione di chiusura in condizioni di cortocircuito è particolarmente impegnativa. I livelli di corrente elevati e la presenza di una componente continua possono portare a un arco intenso e a danni ai contatti. I disgiuntori moderni sono progettati con materiali avanzati e meccanismi di raffreddamento per mitigare questi effetti, ma il pre-strike rimane una preoccupazione.
•    Interruttori di Carico (LBS): Gli interruttori di carico sono anch'essi soggetti al pre-strike durante l'operazione di chiusura, specialmente in applicazioni ad alta corrente. Tuttavia, i dispositivi LBS sono tipicamente utilizzati in applicazioni a bassa tensione e corrente rispetto ai disgiuntori, quindi il rischio di danni severi ai contatti è generalmente inferiore.
4. Fasi dell'Operazione di Chiusura negli Apparecchi di Comando e Protezione
L'operazione di chiusura degli apparecchi di comando e protezione può essere divisa in diverse fasi, come mostrato nella figura:
•    Fase 1: Avvicinamento Iniziale dei Contatti: I contatti iniziano a muoversi l'uno verso l'altro e il campo elettrico tra di essi inizia a costruirsi. In questa fase, nessuna corrente scorre, ma il potenziale per il pre-strike sta aumentando.
•    Fase 2: Formazione dell'Arco Pre-Strike: Man mano che i contatti si avvicinano, il campo elettrico supera la resistenza dielettrica del mezzo isolante, causando una rottura dielettrica. Si forma un arco pre-strike e la corrente inizia a fluire attraverso l'arco prima che i contatti si tocchino.
•    Fase 3: Contatto Fisico e Trasferimento dell'Arco: I contatti finalmente entrano in contatto fisico e l'arco si trasferisce dalla fessura tra i contatti alle superfici dei contatti. La corrente continua a fluire attraverso il circuito ormai chiuso.
•    Fase 4: Operazione a Stato Stabile: Dopo che i contatti si sono completamente chiusi, il sistema entra in operazione a stato stabile e la corrente scorre attraverso i contatti chiusi senza alcun arco.
5. Strategie di Mitigazione
Per minimizzare gli effetti del pre-strike e della saldatura dei contatti, possono essere adottate diverse strategie di progettazione e operazione:
•    Uso di Mezzi Isolanti ad Alta Resistenza Dielettrica: L'uso di mezzi isolanti con alta resistenza dielettrica, come il gas SF6 o il vuoto, può ridurre la probabilità di pre-strike richiedendo un campo elettrico più elevato per iniziare la rottura.
•    Materiali di Contatto Avanzati: L'uso di materiali di contatto con punti di fusione elevati e buona conduttività termica può aiutare a ridurre i danni ai contatti durante il pre-strike. Materiali come leghe di rame-tungsteno sono comunemente utilizzati negli apparecchi di comando e protezione ad alta tensione.
•    Meccanismi di Raffreddamento: L'incorporazione di meccanismi di raffreddamento, come sistemi soffiatori o flussi forzati di gas, può aiutare a dissipare il calore dall'arco e ridurre la temperatura delle superfici dei contatti, minimizzando il rischio di saldatura.
•    Miglioramenti del Progetto Meccanico: Assicurarsi che il meccanismo di funzionamento fornisca una forza sufficiente per rompere eventuali punti saldati durante l'operazione di apertura può prevenire il fallimento degli apparecchi di comando e protezione nell'apertura corretta.
•    Sistemi di Protezione: L'implementazione di sistemi di protezione, come relè di sovratensione e meccanismi di rilevamento di guasti, può aiutare a rilevare e rispondere più rapidamente a condizioni di cortocircuito, riducendo la durata e l'intensità dell'arco.
Conclusione
Il fenomeno del pre-strike, in cui l'arco viene iniziato prima che i contatti si tocchino fisicamente, è un aspetto critico dell'operazione di chiusura negli apparecchi di comando e protezione. Può portare a danni eccessivi ai contatti, saldatura e potenziale fallimento del dispositivo di commutazione. Comprendere i fattori che contribuiscono al pre-strike, come l'accumulo del campo elettrico e le caratteristiche del mezzo isolante, è essenziale per progettare e operare apparecchi di comando e protezione affidabili. Utilizzando strategie di mitigazione appropriate, come l'uso di mezzi isolanti ad alta resistenza dielettrica, materiali di contatto avanzati e meccanismi di raffreddamento, gli effetti del pre-strike possono essere minimizzati, assicurando un'operazione sicura e affidabile degli apparecchi di comando e protezione sia nei disgiuntori che negli interruttori di carico.