Fenomeni creati durante la commutazione di trasformatori a vuoto mediante interruttori ad alta tensione AIS
Introduzione agli isolatori ad alta tensione
Differenza tra interruttori ad alta tensione e interruttori di terra
Interruttore ad alta tensione (Circuit Breaker) e Interruttore di terra sono due dispositivi di commutazione meccanica diversi, ciascuno dei quali svolge un ruolo cruciale nei sistemi di potenza.
Interruttore ad alta tensione: Viene utilizzato principalmente per indicare se un circuito è aperto o chiuso. L'interruttore ha la capacità di interrompere la corrente, permettendogli di spegnere correnti elevate in condizioni di alimentazione e mantenere la stabilità quando i punti di contatto si separano e si stabilisce una tensione di recupero. Gli interruttori ad alta tensione vengono tipicamente utilizzati per proteggere i sistemi di potenza da guasti come cortocircuiti e sovraccarichi.
Interruttore di terra: La sua funzione principale è quella di collegare a terra varie parti di un circuito, inclusa l'attrezzatura, garantendo un contatto sicuro. Un interruttore di terra non ha la capacità di interrompere la corrente, quindi non può essere utilizzato per spegnere le correnti di carico. È solitamente utilizzato in combinazione con un interruttore ad alta tensione per assicurare che, dopo l'apertura dell'interruttore, tutte le parti del circuito possano essere affidabilmente collegate a terra per prevenire scosse elettriche accidentali.
Limitazioni operative degli interruttori ad alta tensione AIS
Nel quadro di distribuzione isolato ad aria (AIS), un interruttore ad alta tensione non può interrompere la corrente mentre la conduce o dopo che i contatti si sono separati e si è stabilita una tensione di recupero tra di essi. Ciò significa che, se l'interruttore opera in condizioni di alimentazione, può interrompere efficacemente solo piccole correnti. Specificatamente, quando la tensione nominale appare ai contatti, l'interruttore può interrompere piccole correnti ma non può gestire correnti elevate o carichi pesanti.
Funzione degli interruttori di terra
Il ruolo principale dell'interruttore di terra è quello di collegare a terra varie parti di un circuito, garantendo la sicurezza durante la manutenzione o l'ispezione. Può essere utilizzato in combinazione con un interruttore ad alta tensione o indipendentemente. Collegando a terra il circuito, l'interruttore di terra elimina efficacemente l'accumulo di carica statica, prevenendo scosse elettriche accidentali e fornendo sicurezza per i lavori di manutenzione successivi.
Panoramica sulla commutazione di trasformatori a vuoto e capacitiva
Capacità di commutazione di corrente capacitiva degli interruttori ad alta tensione
Secondo gli standard IEC, gli interruttori ad alta tensione non sono specificamente progettati per interrompere correnti di guasto, ma poiché operano in condizioni di alimentazione, si aspetta che interrompano piccole correnti. La definizione IEC degli isolatori (disconnettori) afferma che un interruttore (isolatore) può aprire o chiudere un circuito in cui la corrente interrotta o connessa è trascurabile, o in cui la tensione tra i terminali dei poli dell'interruttore non cambia.
Anche se non esplicitamente dichiarato, questa descrizione può essere interpretata come riferita a piccole correnti di carica capacitiva e alla commutazione di anelli (anche nota come commutazione parallela), che in applicazioni specifiche sono chiamate interruttori di trasferimento di linea. L'IEC 62271-102 conferma questo e stabilisce un limite superiore di 0,5 A per le "trascurabili" correnti di carica capacitiva, con valori superiori richiedenti un accordo tra l'utente e il produttore.
Corrente nominale di trasferimento di linea
Secondo l'IEC 62271-102, la corrente nominale di trasferimento di linea è specificata come segue:
Per livelli di tensione 52 kV < Ur < 245 kV, la corrente di trasferimento di linea è l'80% della corrente nominale normale dell'interruttore, ma limitata a 1600 A.
Per livelli di tensione 245 kV ≤ Ur ≤ 550 kV, la corrente di trasferimento di linea è il 60% della corrente nominale normale dell'interruttore.
Per livelli di tensione Ur > 550 kV, la corrente di trasferimento di linea è l'80% della corrente nominale normale dell'interruttore, ma limitata a 4000 A.
Applicazione della commutazione di trasformatori a vuoto
In pratica, specialmente in Nord America, gli interruttori ad aria sono comunemente utilizzati per la commutazione di trasformatori a vuoto. La corrente di magnetizzazione di un trasformatore a vuoto è generalmente molto bassa, solitamente 1 A o meno. In questo caso, il trasformatore può essere rappresentato come un circuito RLC in serie (come mostrato nella Figura 1), con oscillazioni correlate sottosmorzate, e il fattore di ampiezza pari a 1,4 o meno per unità.
Commutazione di anelli in anelli di trasmissione paralleli
Un'altra pratica comune è estendere il trasferimento di linea alla commutazione tra anelli di trasmissione paralleli, anche se la corrente è inferiore a causa dell'impedenza più elevata dell'anello. Questo approccio può ridurre efficacemente la generazione di archi e le fluttuazioni di tensione durante la commutazione.
Applicazione di dispositivi di commutazione ausiliari
Una pratica ampiamente utilizzata in Nord America, ma meno comune in altre regioni, è l'aggiunta di dispositivi di commutazione ausiliari per mitigare la gravità degli eventi di commutazione. Ad esempio, questi dispositivi possono minimizzare l'occasione di restriking o raggiungere una maggiore capacità di interruzione. L'uso di dispositivi di commutazione ausiliari può migliorare l'affidabilità e la sicurezza del sistema, specialmente quando si gestiscono correnti elevate o circuiti complessi.
Commutazione di trasformatori a vuoto utilizzando isolatori ad alta tensione AIS
Per la commutazione di trasformatori a vuoto nella fascia 72,5–245 kV, sono comunemente utilizzati isolatori ad alta tensione AIS. Poiché la corrente di magnetizzazione di un trasformatore a vuoto è generalmente molto bassa (solitamente 1 A o meno), gli isolatori possono eseguire in sicurezza l'operazione di commutazione. Il trasformatore può essere semplificato come un circuito RLC in serie, con oscillazioni correlate sottosmorzate, e il fattore di ampiezza pari a 1,4 o meno per unità.
In questo scenario, il compito principale dell'isolatore è garantire che la corrente di magnetizzazione del trasformatore non causi significative formazioni di arco o fluttuazioni di tensione durante la commutazione. Attraverso un design e un'operazione appropriati, gli isolatori ad alta tensione AIS possono effettivamente svolgere questo compito, assicurando l'operazione sicura e stabile del sistema di potenza.
Una traccia di un evento di commutazione sul campo è mostrata nella Fig. 2.
La tensione di recupero transitoria (TRV) attraverso l'interruttore di disconnessione è quindi la differenza tra la tensione di alimentazione e l'oscillazione lato trasformatore, come illustrato nella Fig. 3.
Interruzione della corrente: un evento dielettrico
L'interruzione della corrente avviene fondamentalmente quando lo spazio tra i contatti diventa sufficientemente grande per resistere alla tensione di recupero transitoria (TRV). Questo processo è intrinsecamente un evento dielettrico, in cui la forza d'isolamento dell'aria o del vuoto tra i contatti supera la tensione applicata, spegnendo efficacemente l'arco e interrompendo il flusso di corrente.
Interruzione della corrente di magnetizzazione di un trasformatore a vuoto
L'interruzione della corrente di magnetizzazione di un trasformatore a vuoto è un evento ripetitivo di apertura e chiusura che può risultare in multipli restriking. Ogni restriking può indurre correnti impulsive, che prolungano la durata dell'arco, estendono il tempo complessivo di commutazione e causano usura sui contatti dell'arco. La natura ripetitiva di questi eventi può portare a stress significativi sull'equipaggiamento di commutazione e potenzialmente degradare le sue prestazioni nel tempo.
Per mitigare questi effetti, è cruciale assicurare che il dispositivo di commutazione sia in grado di gestire le caratteristiche specifiche della corrente di magnetizzazione, come il suo comportamento di inrush e le tensioni transitorie associate. Un design e una selezione appropriati dell'equipaggiamento di commutazione, insieme all'uso di dispositivi ausiliari come arrestatori di surtensione o resistori di smorzamento, possono aiutare a ridurre la probabilità di restriking e minimizzare l'impatto sul sistema.
