Ruolo del bellow nei sezionatori a vuoto

Introduzione agli interruttori a vuoto e alle campane

Con l'avanzamento tecnologico e la crescente preoccupazione per il riscaldamento globale, gli interruttori a vuoto sono emersi come una considerazione significativa nel campo dell'ingegneria elettrica.
Le future reti elettriche stanno imponendo richieste sempre più stringenti sulle prestazioni di commutazione degli interruttori, con un particolare enfasi su velocità di commutazione superiori e durate operative prolungate. Negli interruttori a media tensione, gli interruttori a vuoto (IV) hanno guadagnato una preferenza diffusa. Questo perché l'uso del vuoto come mezzo di interruzione offre vantaggi ineguagliabili all'interno di questo specifico intervallo di applicazione. L'interruttore a vuoto costituisce il componente centrale di un interruttore a vuoto, e le campane svolgono un ruolo cruciale ed efficace all'interno degli interruttori a vuoto.

Le campane metalliche sono progettate per mantenere un sigillo al vuoto ultra-alto mentre consentono il movimento traslazionale del contatto elettrico mobile all'interno della camera di interruzione. Tuttavia, la durata meccanica di un interruttore a vuoto è principalmente limitata dalle cosiddette campane al vuoto. Nel contesto degli interruttori futuri, la ricerca di velocità di commutazione più rapide porterà inevitabilmente a carichi dinamici di tipo impatto più elevati. Questi carichi possono scatenare oscillazioni delle campane con ampiezze maggiori, riducendo significativamente la durata delle campane. Inoltre, data l'aumentata frequenza prevista delle operazioni di commutazione nelle future reti elettriche, la simulazione delle campane al vuoto diventa indispensabile per ottimizzarne il design e, di conseguenza, migliorare la durata meccanica degli interruttori a vuoto.

Il ruolo delle campane negli interruttori a vuoto

Le campane, solitamente realizzate con lastre d'acciaio inossidabile sottili, sono progettate per facilitare l'apertura e la chiusura dei contatti mentre assicurano il mantenimento di un ambiente a vuoto all'interno dell'interruttore.
La resistenza alla fatica delle campane è un fattore chiave che determina la durata meccanica di un interruttore a vuoto. Ogni operazione di apertura e chiusura dei contatti sottopone le campane a stress, specialmente le convoluzioni situate più vicine agli estremi. Oltre allo stress meccanico diretto derivante dal movimento operativo, le campane sperimentano anche oscillazioni post-operative una volta che il movimento del contatto cessa. Queste oscillazioni contribuiscono ulteriormente all'usura delle campane, accelerandone la degradazione nel tempo.
La Figura 1 illustra un tipo specifico di campane per interruttori a vuoto prodotte dalla Sigma-Netics company.

Fig 1: Campane per interruttori a vuoto della Sigma-Netics company

La durata meccanica degli interruttori a vuoto è significativamente influenzata da diversi parametri critici del movimento dei contatti:

• Corsa o spazio di contatto a regime: Questo determina la distanza con cui i contatti si separano durante l'operazione, influenzando l'isolamento elettrico e le capacità di spegnimento dell'arco.

• Velocità di apertura e chiusura: Velocità più elevate possono migliorare le prestazioni di commutazione ma impongono carichi dinamici maggiori sui componenti, inclusi le campane.

• Smorzamento alla fine della corsa di apertura e chiusura: Uno smorzamento adeguato è essenziale per minimizzare le vibrazioni e ridurre lo stress meccanico sulle campane e altri parti.

• Overshoot e rimbalzo all'apertura: Questi fenomeni possono causare un ulteriore usura dei contatti e delle campane, potenzialmente accorciando la durata complessiva.

• Resilienza di montaggio: Il modo in cui viene montato l'interruttore a vuoto può influire sulla distribuzione delle forze durante l'operazione, influenzando la durata meccanica delle campane.

• Rimbalzo dei contatti alla chiusura: Un rimbalzo eccessivo dei contatti può portare all'arco e aumentare lo stress sulle campane, degradandone le prestazioni nel tempo.

Le campane svolgono un doppio ruolo negli interruttori a vuoto. Consentono il movimento del contatto mobile mentre mantengono un sigillo ermetico al vuoto. Realizzate in acciaio inossidabile, tipicamente con uno spessore di circa 150 µm, sono progettate per resistere alle severe condizioni operative all'interno dell'interruttore. Tre tipi di campane sono stati integrati con successo nei disegni degli interruttori a vuoto:

• Campane idroformate senza saldatura: Queste sono formate senza cuciture visibili, offrendo potenzialmente integrità e prestazioni migliorate.

• Campane idroformate saldate: Prodotte saldando le cuciture dopo l'idroformatura, bilanciano i requisiti di costo e prestazioni.

• Campane realizzate con lamine sottili di acciaio inossidabile saldate ai bordi: Costruite saldando insieme lamine sottili, offrono una soluzione conveniente per determinate applicazioni.

Dettagli completi sul disegno e le prestazioni delle campane possono essere trovati negli Standard EJMA.

Un'estremità delle campane è fissata saldamente brasando la campana alla piastra finale dell'interruttore a vuoto, mentre l'altra estremità è brasata al terminale mobile e si muove insieme a esso durante l'apertura e la chiusura dei contatti. Nell'interruttore a vuoto, le campane sono sottoposte a movimenti impulsivi durante le operazioni dei contatti. La velocità di apertura del contatto mobile può aumentare rapidamente da 0 m/s a 2 m/s in meno di 100 µs. Alla fine della corsa del contatto, sia in apertura che in chiusura, l'estremità mobile delle campane si ferma bruscamente.

La frequenza di queste operazioni di apertura e chiusura varia a seconda del ciclo di lavoro. In alcuni casi, possono verificarsi numerose volte, mentre in altri sono rare. Il movimento impartito alle campane è tutt'altro che uniforme, ed è comune che le campane oscillino più volte durante una singola operazione di apertura o chiusura. Per coloro che sono interessati ad analizzare questo movimento delle campane, è stato sviluppato un approccio analitico generale per determinare gli stress dinamici subiti dalle campane durante il movimento impulsivo.

La maggior parte dei produttori di interruttori a vuoto acquista le loro campane da produttori di campane consolidati e collabora con loro per ottenere la durata desiderata delle campane. Questo è generalmente ottenuto incorporando le campane in un interruttore a vuoto pratico e conducendo test di durata meccanica su un numero statisticamente significativo di campioni di interruttori a vuoto. Una durata meccanica specificata può quindi essere assegnata all'interruttore a vuoto con quelle campane utilizzando l'analisi di Weibull. Di solito, il limite di durata meccanica di un interruttore a vuoto è determinato dal numero di operazioni che le campane possono sopportare prima che si verifichi un fallimento per fatica.

Quando si effettuano test meccanici su un interruttore a vuoto, è cruciale sottoporre le campane agli stessi parametri di funzionamento che incontreranno in un dispositivo di commutazione. Questi parametri includono il viaggio totale (spazio di funzionamento più sovradimensionamento), la velocità massima di apertura, la velocità massima di chiusura e gli effetti dell'accelerazione e decelerazione. Testare le campane all'interno dell'interruttore a vuoto assicura che esse subiscano tutti i passaggi di produzione che il dispositivo finito subirà. Ad esempio, dovrebbe essere esposta a tutti i cicli di riscaldamento e raffreddamento necessari per la produzione degli interruttori a vuoto. Questi processi anneriranno inevitabilmente il metallo delle campane, alterandone la microstruttura granulare e, di conseguenza, le caratteristiche di prestazione.

La durata meccanica di una specifica campana dipende non solo dai parametri di funzionamento menzionati sopra, ma anche dalle proprie caratteristiche fisiche. Queste includono il tipo di acciaio inossidabile utilizzato, la sua lunghezza, diametro, spessore, il numero di convoluzioni e la sua capacità di smorzare il movimento una volta che il contatto smette di muoversi. È possibile progettare campane che possano eseguire affidabilmente le 30.000 operazioni normali richieste per la maggior parte degli interruttori a vuoto e dei reclosers a vuoto, e persino superare 10^6 operazioni per i contattatori a vuoto. Tuttavia, nonostante gli sforzi dei produttori di interruttori a vuoto per progettare i propri prodotti per soddisfare la durata meccanica specificata di vari dispositivi di commutazione, la maggior parte degli interruttori a vuoto non raggiunge la durata meccanica dichiarata quando vengono installati sul campo.Per ulteriori informazioni sulle cause di fallimento degli Interruttori a Vuoto (IV), si faccia riferimento all'articolo pertinente.

Il progettista dell'interruttore a vuoto deve prendere precauzioni per impedire all'utente di torcere le campane durante l'installazione dell'interruttore a vuoto in un meccanismo. Una campana torcida può vedere la sua durata meccanica notevolmente ridotta, potenzialmente inferiore al 1% della durata progettata. Il momento che può essere applicato alle campane a pareti sottili di un interruttore a vuoto prima di un torcimento permanente è relativamente basso, circa 8,5-11,5 Nm. Per evitare il torcimento delle campane, il progettista dovrebbe inserire un cavo anti-torcimento all'interno di essa. Questo cavo può essere bloccato in posizione fissandolo alla piastra finale dell'interruttore. La superficie interna del cavo è modellata o presenta una scanalatura per impedire qualsiasi rotazione del terminale di rame mobile collegato alle campane (come mostrato nella Figura 2). Il materiale del cavo può essere metallico o plastica come il Nylatron. Quando si utilizzano materiali plastici come il Nylatron e il Valox, è necessaria cautela. Questi materiali possono essere utilizzati solo in applicazioni in cui la temperatura massima permessa che subiscono è limitata. Ad esempio, per il Nylatron, la temperatura alla quale la resistenza a trazione è ridotta al 50% dopo 100.000 ore è di circa 125°C (può resistere a temperature più elevate per brevi periodi senza deformarsi a causa del suo contenuto di fibre di vetro), e per il Valox DR48, è intorno a 140°C. Esistono anche plastiche più costose, ad alta temperatura, come l'"Ultem 2310 R".

Fig 2: Esempi di Cavi Anti-torcimento per la Protezione delle Campane

Il materiale utilizzato per questi cavi anti-torcimento ha una temperatura massima permessa di circa 180°C. Può resistere a esposizioni a breve termine (circa 1 ora) a temperature superiori a questo limite senza deformazioni significative.

Per gli interruttori a vuoto che operano a tensioni di interruttore più elevate, è necessario un maggiore spazio di contatto. Ad esempio, a 72,5 kV, è richiesto uno spazio di circa 40 mm. Per accogliere questo spazio esteso, le campane devono essere proporzionalmente allungate. Tuttavia, le campane molto lunghe non si aprono e chiudono in modo uniforme. Invece, tendono a contorcersi durante il movimento. Di conseguenza, le convoluzioni interne delle campane possono sfregare contro il terminale di rame (Cu). Questo attrito può ridurre sostanzialmente la durata delle campane.

Per risolvere questo problema, sono state sviluppate campane specializzate con cuscinetti interni. Questi cuscinetti scivolano lungo i terminali di Cu, minimizzando l'usura. Un esempio di tale design di campane è illustrato nella Figura 3.