Interruttori ad aria compressa: funzionamento, vantaggi e tipologie

Un interruttore ad aria compressa utilizza l'aria o il gas compresso come mezzo di interruzione dell'arco. L'aria compressa viene immagazzinata in un serbatoio e, quando necessario, rilasciata attraverso un ugello per generare un getto ad alta velocità. Questo getto svolge un ruolo cruciale nell'estinguere l'arco che si forma quando l'interruttore interrompe la corrente elettrica.

Gli interruttori ad aria compressa sono comunemente impiegati per applicazioni interne nella gamma di tensioni medio-alta con capacità di interruzione medie. Solitamente, sono adatti per tensioni fino a 15 kV e capacità di interruzione di 2500 MVA. Inoltre, vengono ora utilizzati in impianti di commutazione all'aperto ad alta tensione per linee da 220 kV.

Sebbene vari gas come anidride carbonica, azoto, freon o idrogeno possano potenzialmente servire come mezzi di interruzione dell'arco, l'aria compressa è emersa come la scelta preferita per gli interruttori ad aria compressa. Ci sono diverse ragioni convincenti per questo:

• Azoto: Le sue capacità di interruzione del circuito sono comparabili a quelle dell'aria compressa, offrendo nessun vantaggio significativo in termini di prestazioni.

• Anidride carbonica: Uno dei suoi principali svantaggi è la difficoltà nel controllare il suo flusso. Tende a congelarsi nei valvole e in altri passaggi stretti, il che può disturbare il funzionamento corretto dell'interruttore.

• Freon: Anche se presenta una resistenza dielettrica elevata e ottime proprietà di estinzione dell'arco, ha un costo elevato. Inoltre, quando esposto all'arco, si decompone in elementi che formano acidi, ponendo rischi per l'attrezzatura e l'ambiente circostante.

Gli interruttori ad aria compressa offrono diverse caratteristiche desiderabili:

• Operazione ad alta velocità: Nei grandi reticoli elettrici interconnessi, mantenere la stabilità del sistema è di fondamentale importanza. Gli interruttori ad aria compressa eccellono in questo ambito grazie all'intervallo di tempo estremamente breve tra il rilascio dell'impulso di attivazione e la separazione dei contatti. Questa risposta rapida aiuta a minimizzare l'impatto dei guasti sulla rete elettrica complessiva.

• Adatti per operazioni frequenti: A differenza degli interruttori che utilizzano olio, che possono rapidamente carbonizzare e degradarsi con ripetute commutazioni, gli interruttori ad aria compressa possono sopportare operazioni frequenti. L'assenza di olio significa anche che c'è un minimo usura sulle superfici di contatto portatrici di corrente. Tuttavia, è essenziale assicurare un approvvigionamento continuo e sufficiente di aria compressa quando si prevedono commutazioni frequenti.

• Manutenzione ridotta: La capacità di gestire le commutazioni ripetute con facilità si traduce in minori requisiti di manutenzione. Questo non solo risparmia sui costi di manutenzione, ma aumenta anche l'affidabilità e la disponibilità dell'interruttore.

• Eliminazione del rischio d'incendio: Poiché gli interruttori ad aria compressa non contengono olio, il rischio di incendio associato agli interruttori a olio è completamente eliminato, rendendoli un'opzione più sicura per le installazioni elettriche.

• Dimensioni ridotte: La rapida crescita della resistenza dielettrica negli interruttori ad aria compressa consente una distanza finale molto più piccola richiesta per l'estinzione dell'arco. Questo design compatto risulta in dispositivi di dimensioni minori, che possono essere integrati più facilmente nei sistemi elettrici e occupano meno spazio.

Principio di estinzione dell'arco

Un interruttore ad aria compressa fa affidamento su un sistema aggiuntivo di aria compressa per fornire aria al serbatoio di ricezione. Quando l'interruttore deve aprirsi, l'aria compressa viene diretta nella camera di estinzione dell'arco. Questa aria ad alta pressione esercita una forza sui contatti mobili, causando la loro separazione. Mentre i contatti si separano, il getto d'aria spazza via il gas ionizzato formato dall'arco, estinguendolo efficacemente.

L'arco è solitamente spento entro uno o più cicli. Dopo l'estinzione dell'arco, la camera di arco viene riempita con aria ad alta pressione, che aiuta a prevenire i riaccensioni. Gli interruttori ad aria compressa rientrano nella categoria di tipo di energia di estinzione esterna. L'energia utilizzata per spegnere l'arco deriva dall'aria ad alta pressione, indipendentemente dalla corrente interrotta.

Tipi di interruttori ad aria compressa

Tutti gli interruttori ad aria compressa operano sul principio di separare i loro contatti in un flusso d'aria che forma l'arco, aperto da una valvola di espulsione. L'arco che si forma viene rapidamente centrato attraverso un ugello, dove viene mantenuto a una lunghezza fissa e sottoposto alla massima forza del flusso d'aria. In base alla direzione del getto d'aria compressa intorno ai contatti, gli interruttori ad aria compressa possono essere classificati in tre tipi:

• Interruttore ad aria compressa a soffio assiale: In questo tipo, il flusso d'aria è parallelo all'arco, fluendo longitudinalmente lungo la sua lunghezza. Gli interruttori ad aria compressa a soffio assiale possono essere ulteriormente categorizzati come a singolo soffio o a doppio soffio. Alcune disposizioni a doppio soffio, in cui il getto d'aria fluisce radialmente nell'ugello o nello spazio tra i contatti, sono talvolta chiamati interruttori a soffio radiale, nonostante il concetto di progettazione a flusso assiale primario.

La struttura e il funzionamento fondamentali di un interruttore ad aria compressa sono illustrati nel diagramma sopra. Nelle condizioni operative normali, i contatti fisso e mobile rimangono in stato chiuso, tenuti insieme dalla forza esercitata dalle molle. Un serbatoio di aria è collegato alla camera di arco tramite una valvola d'aria. Questa valvola è attivata da un meccanismo a triplice impulso, che ne provoca l'apertura quando si verifica un guasto o la necessità di interrompere la corrente.

Quando si verifica un guasto nel sistema elettrico, l'impulso di disinnesto serve da catalizzatore per l'azione. Questo impulso attiva la valvola d'aria che collega il serbatoio di aria alla camera di arco, causandone l'apertura. Mentre l'aria ad alta pressione dal serbatoio si riversa nella camera di arco, esercita una forza significativa sui contatti mobili. Una volta che la pressione dell'aria supera la resistenza fornita dalla forza delle molle che normalmente tengono i contatti chiusi, i contatti mobili iniziano a separarsi, avviando il processo di interruzione della corrente elettrica ed estinzione dell'arco.

Quando i contatti si separano a causa della pressione dell'aria ad alta velocità, si forma un arco tra di loro. L'aria, fluendo ad alta velocità assialmente lungo la lunghezza dell'arco, rimuove efficacemente il calore dalla periferia dell'arco. Mentre la corrente si avvicina a zero, questa continua estrazione di calore causa una riduzione significativa del diametro dell'arco. Nel momento in cui la corrente raggiunge zero, l'arco viene interrotto con successo. Successivamente, l'aria fresca, che scorre attraverso l'ugello, riempie lo spazio tra i contatti. Questo flusso di aria fresca elimina i gas ionizzati e caldi presenti nello spazio dei contatti, ripristinando rapidamente la resistenza dielettrica tra i contatti e prevenendo qualsiasi possibile riaccensione dell'arco.

Interruttore ad aria compressa a soffio trasversale

In un interruttore ad aria compressa a soffio trasversale, il meccanismo di estinzione dell'arco opera in modo diverso. Qui, il getto d'arco è diretto perpendicolarmente all'arco stesso. La figura sottostante fornisce una rappresentazione schematica del principio a soffio trasversale utilizzato in questo tipo di interruttore. Quando il braccio di contatto mobile viene azionato in uno spazio confinato, si genera un arco. Immediatamente, un getto d'aria trasversale propelle questo arco verso le lastre di divisione. Le lastre di divisione frammentano l'arco in segmenti più piccoli, dissipando la sua energia. Questo processo indebolisce l'arco al punto che, dopo che la corrente passa attraverso zero, non ha l'energia per riaccendersi, garantendo l'interruzione con successo del circuito elettrico.

Commutazione a resistenza e svantaggi degli interruttori ad aria compressa

Commutazione a resistenza

Tipicamente, la commutazione a resistenza non è assolutamente necessaria negli interruttori ad aria compressa. Quando l'arco viene spento, crea intrinsecamente una certa resistenza, che aiuta a regolare la tensione transitoria di riaccensione. Tuttavia, se una resistenza aggiuntiva viene considerata benefica per applicazioni specifiche, può essere incorporata collegando un resistore alla sezione di divisione dell'arco. Questa resistenza aggiunta fornisce un ulteriore livello di controllo sulla tensione transitoria, migliorando le prestazioni dell'interruttore in determinate condizioni.

Svantaggi degli interruttori ad aria compressa

Uno dei principali limiti degli interruttori ad aria compressa è la rigorosa richiesta di un approvvigionamento continuo di aria compressa alla pressione precisa. Per assicurare questa disponibilità, sono spesso necessarie installazioni di grande scala, generalmente dotate di due o più compressori. Mantenere questa complessa pianta di compressione non è un compito da poco; richiede manutenzioni regolari per far funzionare efficientemente i compressori e affrontare eventuali problemi meccanici che possano sorgere.

Inoltre, le perdite d'aria alle connessioni tubolari sono un problema persistente. Anche le perdite minori possono gradualmente esaurire la pressione dell'aria, compromettendo le prestazioni dell'interruttore. Rilevare e correggere queste perdite può essere un'operazione laboriosa e intensiva. Queste sfide di manutenzione, unite alla necessità di un sofisticato sistema di approvvigionamento d'aria, contribuiscono a costi operativi più elevati.

A confronto con l'olio o altri tipi di interruttori a interruzione ad aria, gli interruttori ad aria compressa sono particolarmente costosi per applicazioni a bassa tensione. L'infrastruttura estesa richiesta per la generazione di aria compressa e le spese di manutenzione associate li rendono meno conveniente in scenari in cui sono coinvolte tensioni inferiori, limitando la loro diffusione in tali contesti.