Condizioni di funzionamento sotto corrente di cortocircuito per apparecchiature elettriche
Spiegazione Dettagliata del Flusso di Corrente e del Fenomeno Pre-Strike negli Apparecchi di Comando e Protezione
Negli apparecchi di comando e protezione, in particolare nei disgiuntori (CB) e nei commutatori di carico (LBS), il flusso di 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.
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 avviene perché il campo elettrico nello spazio tra i contatti aumenta man mano che questi si avvicinano. Quando la forza del campo supera la resistenza dielettrica del mezzo isolante, lo spazio si rompe e si inizia 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, causa l'ionizzazione delle molecole di gas nello spazio, 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 fisicamente, tipicamente alcuni millisecondi prima. Questa iniziazione precoce dell'arco è chiamata pre-strike. Durante il pre-strike, l'arco si forma nello spazio piccolo tra i contatti, e la corrente inizia a fluire attraverso l'arco invece di aspettare che i contatti facciano un contatto fisico.
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 nelle condizioni di cortocircuito, dove la corrente può essere estremamente alta. Il metallo fuso sulle superfici dei contatti può portare a saldature dei contatti, dove le due superfici si fondono insieme.
Saldatura dei Contatti: I contatti saldati possono impedire all'apparecchio di rispondere correttamente 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 possibili pericoli per la sicurezza e danni agli apparecchi.
Caratteristiche della Corrente di Cortocircuito: Le correnti di cortocircuito spesso contengono una componente continua, che può far sì che il valore massimo della corrente sia molto più alto di quello di una corrente di cortocircuito puramente alternata. Questo aumento del valore massimo della corrente può aggravare gli effetti del pre-strike, portando a danni più gravi ai contatti e a saldature.
Dipendenza dalla Tensione dell'Arco: La tensione sull'arco (tensione d'arco) dipende fortemente dal mezzo interrompente utilizzato negli apparecchi di comando e protezione. Anche con lunghezze d'arco molto corte, ci possono essere cadute di tensione significative vicino agli elettrodi. Ciò è dovuto al fatto che 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.
Chiusura in Condizioni di Cortocircuito
Disgiuntori (CB): Nei disgiuntori, l'operazione di chiusura in condizioni di cortocircuito è particolarmente impegnativa. I livelli elevati di corrente e la presenza di una componente continua possono portare a intense archiature e danni ai contatti. I disgiuntori moderni sono progettati con materiali avanzati e meccanismi di raffreddamento per mitigare questi effetti, ma il pre-strike rimane un problema.
Commutatori di Carico (LBS): Anche i commutatori di carico sono suscettibili 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 gravi ai contatti è generalmente inferiore.
Fasi dell'Operazione di Chiusura negli Apparecchi di Comando e Protezione
L'operazione di chiusura degli apparecchi di comando e protezione può essere suddivisa 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 ad accumularsi. In questa fase, non fluisce alcuna corrente, 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 si toccano fisicamente, e l'arco si trasferisce dallo spazio 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 sono completamente chiusi, il sistema entra in operazione a stato stabile, e la corrente fluisce attraverso i contatti chiusi senza alcuna archiatura.
Strategie di Mitigazione
Per minimizzare gli effetti del pre-strike e della saldatura dei contatti, possono essere impiegate diverse strategie di progettazione e operatività:
Utilizzo 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 conducibilità termica può aiutare a ridurre i danni ai contatti durante il pre-strike. Materiali come leghe di rame-tungsteno sono comunemente utilizzati in apparecchi di comando e protezione ad alta tensione.
Meccanismi di Raffreddamento: Incorporare meccanismi di raffreddamento, come sistemi a soffiata o flusso forzato 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 Disegno 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 dell'apparecchio 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, saldature e potenziali guasti 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 gestire apparecchi di comando e protezione affidabili. Utilizzando appropriate strategie di mitigazione, 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 funzionamento sicuro e affidabile degli apparecchi di comando e protezione sia nei disgiuntori che nei commutatori di carico.
