Comportamento degli interruttori a vuoto per esterno in ambienti simulati
I interruttori a vuoto per esterno sono principalmente utilizzati nel segmento di media-alta tensione (MHV). Costituiscono un componente cruciale nel settore della distribuzione, in particolare nelle reti a 11 kV e 33 kV. Nella costruzione di questi interruttori vengono impiegati una varietà di materiali compositi. Tra essi, l'interruttore a vuoto si distingue come il componente più vitale. Per gli interruttori esterni, l'interruttore a vuoto è solitamente racchiuso in un involucro in porcellana.
Questi interruttori sono collegati al meccanismo di azionamento tramite barre di comando fuse in resina rinforzata con fibra di vetro, che a loro volta sono collegate a una barra di comando comune in metallo-acciaio. Il meccanismo di azionamento degli interruttori a vuoto per esterno generalmente adotta un design a molla, alloggiato all'interno di un involucro in lamiera d'acciaio. Data l'impiego di diversi materiali, è essenziale valutare la compatibilità di tali materiali, nonché la progettazione e la lavorazione, in diverse condizioni ambientali in cui gli interruttori sono destinati a operare. Questa valutazione garantisce un funzionamento senza problemi e, di conseguenza, la stabilità della rete elettrica di cui fanno parte.
I test ambientali per gli interruttori, specificatamente i test a bassa e alta temperatura, sono coperti dal paragrafo 6.101.3 dello standard IEC 62271-100[1]. Per i climi freddi, l'intervallo di temperatura preferito per i valori minimo e massimo è da -50°C a +40°C, mentre per i climi molto caldi, è da -5°C a +50°C. A quote fino a 1000 metri, le temperature ambientali preferite minime per il test a bassa temperatura sono -10°C, -25°C, -30°C e -40°C. In applicazioni esterne, la progettazione degli interruttori a vuoto deve tenere conto dei rapidi cambiamenti di temperatura. In India, numerose località in regioni come Kashmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand e Sikkim riscontrano tali variazioni di temperatura.
Le temperature possono scendere fino a -25°C. In tali località, i problemi legati alle condizioni fredde sono aggravati da fenomeni frequenti come il vento freddo e le tempeste di neve. Durante l'estate, in molte parti dell'India, le temperature possono salire fino a 50°C. I produttori che esportano interruttori in paesi che sperimentano temperature estremamente basse o elevate devono determinare le prestazioni dei loro prodotti in queste condizioni climatiche estreme.
Questo articolo approfondisce le prestazioni degli interruttori a vuoto per esterno di classe 36 kV in condizioni ambientali simulate in conformità con lo standard IEC 62271-100. I test discussi qui includono (a) il test a bassa temperatura e (b) il test a alta temperatura. Inoltre, l'articolo esplora il tempo di azionamento, la differenza di tempo tra i poli e il tempo di ricarica del meccanismo di azionamento per un interruttore a vuoto per esterno di classe 36 kV.
Test a Bassa Temperatura
Per comprendere le prestazioni degli interruttori a vuoto per esterno in condizioni di bassa temperatura, è stata adottata come riferimento la procedura specificata nello standard IEC-62271-100. Questo standard IEC prevede che per gli interruttori a singolo involucro con un meccanismo di azionamento comune, debbano essere effettuati test trifase. Per gli interruttori a multi-involucro con poli indipendenti, è consentito il test di un polo completo. In caso di limitazioni delle attrezzature di test, gli interruttori a multi-involucro possono essere testati utilizzando uno o più dei seguenti alternative, a condizione che le condizioni meccaniche di azionamento dell'interruttore nella configurazione di test non siano più favorevoli delle condizioni normali:
Durante il test, qualsiasi manutenzione, sostituzione di parti o riadattamento dell'interruttore è vietato. A meno che il design dell'interruttore non richieda una fonte di calore, i rifornimenti di liquidi o gas per l'interruttore dovrebbero essere alla temperatura dell'aria di prova.
Le seguenti caratteristiche operative dell'interruttore dovrebbero essere testate:
Tempo di chiusura
Tempo di apertura
Differenza di tempo tra i poli
Dispersione temporale tra le unità di un polo (se test multipolo)
Tempo di ricarica del dispositivo di azionamento
Consumo del circuito di controllo
Consumo dei dispositivi di sgancio e registrazione dei rilasci paralleli
Durata degli impulsi di comando di chiusura e apertura
Test di strettura se applicabile
Pressione del gas se applicabile
Resistenza del circuito principale
Grafico tempo-percorso
Queste caratteristiche devono essere registrate a:
I parametri soggetti a variazioni di pressione non sono applicabili agli interruttori a vuoto poiché il contattatore è alloggiato in bottiglie a vuoto e questo insieme di interruzione a vuoto è racchiuso in un involucro in porcellana isolato ad aria per applicazioni esterne.
La sequenza di prova per il test a bassa temperatura è definita nel paragrafo 6.101.3.3 dello standard IEC 62271-100. Le caratteristiche operative iniziali [1.4] sono caratterizzate dopo aver esposto l'interruttore a 20 ± 5°C. Dopo l'esame iniziale con l'interruttore in posizione chiusa, la temperatura sarà diminuita alla temperatura ambiente minima secondo la categoria di temperatura. L'interruttore sarà mantenuto in posizione chiusa per 24 ore con i riscaldatori anti-condensa accesi. Dopo 24 ore, l'interruttore sarà aperto e chiuso ai valori nominali di tensione di alimentazione. Il tempo di apertura e chiusura viene registrato per stabilire le caratteristiche operative a bassa temperatura. Successivamente, l'alimentazione dei riscaldatori anti-condensa viene disconnessa per un periodo di tempo (t₁) specificato dal produttore, con un minimo di due ore. Durante questo intervallo, sono ammessi allarmi ma non sono ammessi blocchi. Dopo il tempo t₁, l'interruttore viene aperto e il tempo di apertura viene registrato. Se possibile, vengono misurate anche le caratteristiche di percorso meccanico per permettere la valutazione della capacità di interruzione.
L'interruttore sarà in posizione aperta per 24 ore, dopo di che l'interruttore sarà chiuso e aperto. Quindi, vengono eseguite 50 operazioni CO, con le prime tre operazioni CO eseguite senza alcun ritardo. Le operazioni CO rimanenti vengono eseguite come C - tₑ - O - tₑ. Il tempo tₑ è il periodo di tempo tra le operazioni. Un intervallo di 3 minuti sarà permesso per ogni ciclo o sequenza. Dopo il completamento di 50 operazioni CO, la temperatura della camera di prova climatica viene aumentata con un tasso di 10 K/ora. Durante il periodo di transizione, vengono eseguite operazioni C - tₑ - O - tₑ e O - tₑ - C - tₑ - O in modo che l'interruttore rimanga in posizione chiusa e aperta per un periodo di 30 minuti tra le sequenze operative. Dopo che l'interruttore si stabilizza alla temperatura ambiente, viene eseguita una nuova misurazione delle caratteristiche operative a 20 ± 5°C per confronto con le caratteristiche iniziali a 20 ± 5°C.
Il CPRI sta conducendo test a bassa e alta temperatura su apparecchiature di media-alta tensione (MHV) fino a 36 kV da oltre dieci anni. La Figura 1 mostra un tipico schema di prova per un interruttore a vuoto per esterno di 36 kV installato nella camera di prova per test a bassa e alta temperatura.
I risultati sperimentali per un interruttore a vuoto per esterno di classe 36 kV durante i test a bassa e alta temperatura sono presentati. Gli interruttori testati erano dotati di meccanismi di azionamento a molla.
Il test a alta temperatura è stato eseguito a +55°C, mentre i test a bassa temperatura sono stati eseguiti a -10°C e -25°C. Le seguenti caratteristiche sono state esaminate per analizzare le prestazioni dell'interruttore a vuoto:
Tempo di chiusura e apertura (tempo di funzionamento):Il tempo di chiusura è definito come l'intervallo di tempo tra l'energizzazione del circuito di chiusura, con l'interruttore in posizione aperta, e l'istante in cui i contatti si toccano in tutti i poli.Il tempo di apertura di un interruttore è definito come l'intervallo di tempo tra l'istante di energizzazione del dispositivo di rilascio, con l'interruttore in posizione chiusa, e l'istante in cui i contatti arco si separano in tutti i poli.
Per ottenere dati volumetrici, viene considerato il valore medio dei tempi di funzionamento di tutti e tre i poli a scopo di confronto. Poiché è stato confrontato lo spostamento temporale tra i poli, la variazione massima tra il tempo massimo e minimo di ciascun polo è automaticamente rappresentata.
a) Spostamento temporale tra i poli
b) Caratteristiche del dispositivo di ricarica, come il tempo di ricarica e il consumo di corrente.
c) Variazione delle caratteristiche operative in riferimento alle caratteristiche operative iniziali.
Le prestazioni degli interruttori durante i test a alta e bassa temperatura sono state confrontate con riferimento alle caratteristiche menzionate sopra, e i risultati sono discussi nelle sezioni successive.
Valutazione delle prestazioni a alta temperatura
I risultati del test a alta temperatura sono presentati nella Tabella 1. Le caratteristiche iniziali sono state misurate a 20°C. Lo standard IEC 62271-100 non specifica alcun valore per il tempo di funzionamento o il tempo di chiusura. I tempi di apertura iniziali misurati sono circa 36 ms, e il tempo di chiusura è intorno a 44 ms. Analogamente, il tempo di ricarica del dispositivo di azionamento varia da 9,6 secondi a 11,3 secondi, e la corrente di ricarica è compresa tra 2,8 A e 3,1 A.
Dopo 24 ore di esposizione a 55°C con l'interruttore in posizione chiusa, il tempo di apertura e chiusura è aumentato uniformemente di circa il 5%. Dopo un ulteriore periodo di 24 ore di esposizione a 55°C con l'interruttore in posizione aperta, il tempo di chiusura è aumentato di circa il 2,5%, e il tempo di apertura è aumentato del 4%.
Non è stata osservata alcuna variazione significativa nello spostamento temporale tra i poli per tutti e tre i campioni di test durante l'intero test. Pertanto, può essere dedotto che il comportamento è simile in tutti i poli dell'interruttore a vuoto. Il tempo di ricarica è diminuito da 11,3 secondi a 9,6 secondi, ma la corrente è cambiata da 2,9 A a 3,4 A.
Confrontando i tempi di apertura e chiusura tra i valori iniziali e finali a temperature ambientali, è stata osservata una variazione inferiore al 1% nel tempo di funzionamento, che è trascurabile.
Le caratteristiche operative iniziali sono state misurate a 20°C. I valori iniziali misurati del tempo di apertura erano intorno a 36 ms, e il tempo di chiusura era 44 ms. Analogamente, il tempo di ricarica del dispositivo di azionamento era 10,6 secondi, e la corrente del dispositivo di ricarica era 2,8 A.
Dopo 24 ore di esposizione a -10°C con l'interruttore in posizione chiusa, il tempo di apertura è diminuito di circa lo 0,7%, e il tempo di chiusura è aumentato di circa il 2%, senza variazioni significative.
Durante il periodo di due ore senza riscaldatori anti-condensa, il tempo di apertura è diminuito dello 1,36%. Dopo un ulteriore periodo di 24 ore di esposizione a -10°C con l'interruttore in posizione aperta, il tempo di chiusura è aumentato di circa il 3%, e il tempo di apertura è diminuito di circa il 2%.
Durante il test finale a temperatura ambiente, la variazione è stata inferiore al 1%. Durante l'intero periodo di test a bassa temperatura a -10°C, non è stata osservata alcuna variazione significativa nello spostamento temporale tra i poli.
Le prestazioni dell'interruttore a varie temperature, partendo da +55°C, -10°C e -25°C, sono presentate nella Tabella 1.
Sono state osservate variazioni significative nel tempo di funzionamento quando l'interruttore ha operato a una bassa temperatura di -25°C. I risultati nella Tabella 3 indicano che l'interruttore ha mostrato un rallentamento durante l'apertura e la chiusura a -25°C. La variazione percentuale del tempo di funzionamento a -25°C era notevolmente diversa. Dopo 24 ore di esposizione, il tempo di apertura è aumentato del 30%, e il tempo di chiusura è aumentato di circa il 25%. Analogamente, dopo che gli elementi riscaldanti anti-condensa sono stati spenti per due ore, il tempo di apertura è aumentato del 46%. Un ulteriore periodo di 24 ore a -25°C con l'interruttore in posizione aperta e l'alimentazione degli elementi riscaldanti anti-condensa ripristinata ha portato a un aumento del 44% del tempo di apertura e del 21% del tempo di chiusura. I grafici temporali del tempo di chiusura e apertura registrati durante il test mostrano chiaramente queste variazioni.
Il test a temperatura ambiente di 20°C è mostrato nella Figura 2. I grafici temporali del tempo di chiusura registrati dopo 50 ore di esposizione a -25°C sono forniti nella Figura 3. Quando confrontati, il rallentamento dell'interruttore a -25°C è chiaramente evidente.
Quando confrontato con le sue prestazioni a -10°C, dove la variazione del tempo di funzionamento era solo intorno allo 0,5% al 3%, le caratteristiche dell'interruttore a -25°C si sono deteriorate significativamente. A -25°C, le variazioni del tempo di funzionamento durante le varie fasi del test hanno raggiunto circa il 45%.
Questo articolo presenta i risultati sperimentali del confronto delle prestazioni degli interruttori a vuoto per esterno di classe 36 kV durante i test a bassa e alta temperatura in conformità con lo standard IEC 62271-100.
Le conclusioni principali di questo articolo sono le seguenti:
Durante il test a alta temperatura a 55°C, gli interruttori a vuoto per esterno hanno funzionato in modo soddisfacente. Le variazioni osservate nel tempo di funzionamento e nello spostamento temporale tra i poli sono state insignificanti.
Durante il test a bassa temperatura a -10°C, le variazioni nel tempo di funzionamento e nello spostamento temporale tra i poli sono state insignificanti.
Sono state osservate variazioni significative nel tempo di funzionamento quando l'interruttore ha operato a una bassa temperatura di -25°C. Le variazioni osservate nel tempo di apertura sono state comprese tra il 20% e il 46%, e le variazioni nel tempo di chiusura sono state comprese tra il 25% e il 43%.
I test condotti indicano che anche se un interruttore a vuoto per esterno può funzionare normalmente a -10°C, non c'è garanzia che lo farà nelle condizioni più fredde come -25°C. Pertanto, è essenziale verificare le sue prestazioni alla temperatura bassa richiesta.
