Vantaggi dell'utilizzo di Contatti Elastici nella nuova generazione di Interruttori a Vuoto
Interruttore a vuoto basato su contatti elastici
Un interruttore a vuoto che utilizza elementi di smorzamento elastici realizzati con metalli refrattari e impregnati con un lega fusibile eutettica può essere impiegato in apparecchiature di commutazione a vuoto, specialmente in sistemi che richiedono la commutazione di correnti elevate (ad esempio, elettrolizzatori per la produzione di idrogeno e metalli) o commutazione ad alta velocità (ad esempio, corrente continua di media tensione). Questi sono anche adatti per aumentare istantaneamente la capacità di commutazione di sistemi esistenti, come il rafforzamento sicuro dei cambiatori di rapporto sotto carico (OLTC) per trasformatori eolici.
L'uso di contatti elastici rimuove le limitazioni sulla magnitudine della corrente nominale causate dall'aumento quadratico delle forze di compressione. Di conseguenza, nuovi sistemi possono essere progettati per essere più compatti ed economici. Tuttavia, ulteriori ricerche e l'inclusione di questi risultati negli standard sono necessari per la loro implementazione.
Concetto di contatti elastici negli interruttori a vuoto
Nel loro nucleo, i contatti elastici per interruttori a vuoto sono simili a smorzatori a maglia metallica (Fig.1) realizzati con metalli refrattari e impregnati con leghe a basso punto di fusione che forniscono contatto attraverso una fase liquida. La letteratura iniziale li chiama contatti compositi a metallo liquido, ma questo termine non è definitivo per questo specifico tipo di contatto, poiché la fase liquida esiste solo come uno strato sottile sulla superficie del filo refrattario.
Al contrario, le caratteristiche significative - resistenza alle vibrazioni e contatto su tutta l'area visibile - sono raggiunte grazie alle proprietà dello smorzatore a maglia. Il design dei contatti elastici non solo supera le limitazioni dei materiali di contatto tradizionali nelle applicazioni ad alta pressione e corrente elevata, ma garantisce anche la stabilità e la affidabilità del funzionamento dell'equipaggiamento. Questa innovazione è cruciale per migliorare l'efficienza e la sicurezza dei sistemi di potenza e offre un approccio di progettazione più flessibile ed efficiente per i futuri progetti di ingegneria elettrica.
Adottando contatti elastici, la tecnologia degli interruttori a vuoto raggiunge prestazioni e affidabilità superiori, rendendola un avanzamento essenziale per i moderni sistemi di potenza. Ulteriori indagini e standardizzazione apriranno la strada a un'applicazione e integrazione più ampie di questa tecnologia in vari settori industriali.
Vantaggi e sfide dei contatti elastici negli interruttori a vuoto
Questi contatti elastici non presentano rinculo inerziale, non possono saldarsi, non possiedono resistenza di contatto convenzionale e, come si dimostrerà successivamente, non sono soggetti a separazione elettromagnetica. Data queste proprietà notevoli, ci si potrebbe chiedere perché tali materiali non siano ancora stati ampiamente adottati nell'ingegneria elettrica.
Principali sfide dei materiali di contatto elastico negli interruttori a vuoto:
Tecnologia di produzione: Fino a poco tempo fa, la fabbricazione e l'applicazione di materiali di contatto elastico richiedeva attrezzature costose, processi termochimici complessi in atmosfera di idrogeno e personale specializzato. Un problema significativo era la scarsa adesione del gallio e delle sue leghe al tungsteno e ad altri metalli refrattari.
Mancanza di informazioni consolidate: Le ricerche su questi contatti elastici non sono state consolidate in una singola fonte, rendendole meno accessibili agli specialisti.
Mancanza di ricerche sistematiche: Nonostante le loro proprietà eccezionali, non sono state condotte ricerche sistematiche che permettano agli ingegneri di applicare efficacemente questi materiali.
Processo di fabbricazione dei contatti elastici
L'ostacolo tecnologico è stato affrontato dall'autore nel aprile 2024 con lo sviluppo di un metodo semplice per la fabbricazione e l'applicazione di materiali di contatto elastico (domanda di brevetto PCTIB2024/054125). Questo metodo è più semplice e, nella maggior parte dei casi, più economico rispetto ai contatti rigidi tradizionali utilizzati in apparecchiature di commutazione a vuoto.
Fasi coinvolte:
Fabbricazione dello smorzatore: Lo smorzatore è realizzato con filo intrecciato - tipicamente tungsteno, precedentemente utilizzato nei filamenti delle lampade a incandescenza - o acciaio inossidabile. In casi speciali, possono essere utilizzati molibdeno, niobio, renio e le loro leghe. Questi smorzatori sono facilmente reperibili dai produttori.
Saldatura: Gli smorzatori vengono saldati sui conduttori allo stesso modo in cui vengono fissati i contatti rigidi.
Impregnazione con lega a basso punto di fusione: Gli smorzatori vengono impregnati con una lega a basso punto di fusione che rimane liquida nelle condizioni operative. Sono comunemente utilizzate leghe eutettiche di gallio, indio e stagno, spesso con aggiunte come argento per abbassare il punto di fusione.
Test dei contatti elastici negli interruttori a vuoto
Sono stati condotti test di durata su un contattatore a vuoto pre-produzione progettato specificamente per contatti elastici. Durante questi test, i contatti hanno subito 200.000 cicli di commutazione a 250A in modalità AC4, con correnti che raggiungono 600 ampère e tensioni fino a 690 volt. I test di sovratensione hanno mostrato che le sovratensioni erano 2-3 volte inferiori rispetto alle norme standard.
Questo metodo rivoluzionario promette di rivoluzionare il campo degli interruttori a vuoto, fornendo prestazioni e affidabilità superiori mentre riduce i costi. Ulteriori ricerche e sforzi di standardizzazione sono necessari per integrare completamente questa tecnologia in applicazioni più ampie all'interno dell'industria dell'ingegneria elettrica. Affrontando le sfide di produzione e diffusione delle conoscenze, questi innovativi contatti elastici potrebbero presto diventare un elemento fondamentale nei moderni sistemi di potenza.
