Interruttori a vuoto vs interruttori ad aria: le principali differenze

Interruttori a bassa tensione ad aria vs. interruttori a vuoto: struttura, prestazioni e applicazioni

Gli interruttori a bassa tensione ad aria, noti anche come interruttori universali o a cornice modellata (MCCBs), sono progettati per tensioni alternate di 380/690V e tensioni continue fino a 1500V, con correnti nominali che vanno da 400A a 6300A o addirittura 7500A. Questi interruttori utilizzano l'aria come mezzo di spegnimento dell'arco. L'arco viene estinto attraverso l'allungamento, la divisione e il raffreddamento mediante un condotto di arco (corridore di arco). Tali interruttori possono interrompere correnti di cortocircuito di 50kA, 80kA, 100kA o fino a 150kA.

Componenti principali e funzionalità

• Meccanismo di manovra: situato sul fronte dell'interruttore, fornisce la velocità necessaria per la separazione e la chiusura dei contatti. Il rapido movimento dei contatti aiuta a allungare e raffreddare l'arco, facilitandone l'estinzione.

• Unità di scatto intelligente: montata accanto al meccanismo di manovra, è il "cervello" dell'interruttore a bassa tensione. Riceve segnali di corrente e tensione tramite sensori, calcola i parametri elettrici e li confronta con le impostazioni di protezione LSIG predefinite:

• L: ritardo a lungo termine (protezione contro sovraccarico)

• S: ritardo a breve termine (protezione contro cortocircuito)

• I: istantaneo (scatto immediato)

• G: protezione contro guasti a terra
  Basandosi su queste impostazioni, l'unità di scatto invia un segnale al meccanismo per aprire l'interruttore in caso di sovraccarico o cortocircuito, fornendo una protezione complessiva.

• Camera di arco e terminali: situata sul retro, la camera di arco contiene i contatti e il condotto di arco. I terminali uscenti trifase inferiori sono dotati di:

• Sensori di corrente elettronici (per l'ingresso del segnale all'unità di scatto)

• Trasformatori di corrente elettromagnetici (CT) (per fornire energia operativa all'unità di scatto)

Il meccanismo di manovra ha solitamente una vita meccanica inferiore a 10.000 operazioni.

Evoluzione dall'interrompimento ad aria a quello a vuoto

Storicamente, esistevano interruttori a media tensione ad aria, ma erano ingombranti, avevano una capacità di interruzione limitata e producevano un significativo bagliore d'arco (non zero), rendendoli insicuri e poco pratici.

In contrasto, gli interruttori a vuoto (VCBs) condividono una disposizione generale simile: il meccanismo di manovra sul fronte e l'interruttore sul retro. Tuttavia, l'interruttore utilizza un interruttore a vuoto (o "bottiglia a vuoto"), che è strutturalmente simile a una lampadina a incandescenza - un involucro sigillato di vetro o ceramica evacuato a vuoto elevato.

In un vuoto:

• È necessario solo un piccolo spazio tra i contatti per soddisfare i requisiti di isolamento e resistenza alla tensione.

• L'arco si estingue rapidamente a causa dell'assenza di un mezzo ionizzabile e la diffusione efficiente del vapore metallico.

Applicazioni degli interruttori a vuoto

Gli interruttori a vuoto si sono sviluppati rapidamente ed ora sono ampiamente utilizzati nei sistemi a bassa, media e alta tensione:

• Interruttori a vuoto a bassa tensione: tipicamente valutati a 1,14kV, con correnti nominali fino a 6300A e capacità di interruzione di cortocircuito fino a 100kA.

• Interruttori a vuoto a media tensione: più comuni nella gamma 3,6–40,5kV, con correnti fino a 6300A e capacità di interruzione fino a 63kA. Oltre il 95% degli armadi a media tensione ora utilizza l'interruzione a vuoto.

• Interruttori a vuoto ad alta tensione: gli interruttori monofase hanno raggiunto 252kV, e gli interruttori a vuoto 550kV sono stati ottenuti tramite interruttori in serie.

Differenze chiave di progettazione

A differenza degli interruttori ad aria che utilizzano molle di contatto, gli interruttori a vuoto richiedono al meccanismo di manovra di:

• Fornire una sufficiente velocità di apertura e chiusura

• Garantire una pressione adeguata sui contatti

Questa pressione sui contatti deve rimanere sufficiente anche dopo un logorio dei contatti fino a 3 mm, per trasportare in modo affidabile la corrente nominale e resistere alla corrente massima a breve termine durante i guasti.

Vantaggi degli interruttori a vuoto

• Alta affidabilità e sicurezza

• Immunità alle condizioni ambientali (polvere, umidità, altitudine)

• Nessun bagliore d'arco (nessun arco esterno)

• Dimensioni compatte e intervalli di manutenzione lunghi

Questi vantaggi rendono gli interruttori a vuoto ideali per l'utilizzo in ambienti pericolosi come impianti chimici, miniere di carbone, impianti petroliferi e gassifici, dove i rischi di esplosione e la sicurezza antincendio sono critici.

Studio di caso reale: prestazioni degli interruttori a vuoto vs. interruttori ad aria in caso di guasto

Un grande impianto chimico ha installato due interruttori - uno ad aria e uno a vuoto - in configurazioni di circuito identiche e sottoposti alle stesse condizioni di guasto.

Il circuito era una configurazione di collegamento, dove le fonti di alimentazione su entrambi i lati dell'interruttore erano fuori sincronizzazione. Ciò ha portato a una tensione transitoria attraverso il gap dei contatti che si avvicinava al doppio della tensione nominale, causando il fallimento dell'interruttore.

Risultati:

• Interruttore ad aria:
  Hanno subito una distruzione completa. L'involucro dell'unità dell'interruttore si è rotto e l'armadio di commutazione adiacente su entrambi i lati è stato gravemente danneggiato. È stata necessaria una ricostruzione e sostituzione estensive.

• Interruttore a vuoto:
  Il fallimento è stato significativamente meno violento. Dopo aver sostituito l'interruttore a vuoto e pulito i prodotti di arco (fuliggine) dall'interruttore e dal compartimento, l'armadio di commutazione è stato ripristinato rapidamente al servizio.

Conclusione

Gli interruttori a vuoto dimostrano una superiorità nel contenimento dei guasti, sicurezza e affidabilità rispetto agli interruttori ad aria, specialmente sotto severe sovratensioni transitorie. I loro interruttori a vuoto sigillati impediscono la propagazione dell'arco, minimizzando i danni e i tempi di inattività.

In ambienti esplosivi o infiammabili come impianti chimici e miniere di carbone, l'operazione senza arco e le prestazioni robuste degli interruttori a vuoto offrono un chiaro vantaggio tecnologico e di sicurezza.