Cosa Accade Quando un Interruttore a Vuoto Perde il Vuoto? Risultati Reali dei Test Rivelati

Cosa succede quando un interruttore a vuoto perde il suo vuoto?

Se un interruttore a vuoto perde il suo vuoto, si devono considerare le seguenti situazioni operative:

• Apertura dei contatti

• Operazione di chiusura

• Chiuso e in funzione normale

• Apertura e interruzione della corrente normale

• Apertura e interruzione di una corrente di guasto

I casi a, b e c sono relativamente semplici. In queste situazioni, il sistema è generalmente non influenzato dalla perdita del vuoto.

Tuttavia, i casi d ed e richiedono ulteriori discussioni.

Supponiamo che un interruttore a vuoto trifase per alimentatori perda il vuoto in un polo. Se il carico servito dall'interruttore difettoso è un carico a triangolo (non terra), le operazioni di commutazione non porteranno a un guasto. Essenzialmente, non accade nulla. Le due fasi sane (ad esempio, Fase 1 e Fase 2) interrompono con successo il circuito, e la corrente nella fase difettosa (Fase 3) cessa naturalmente.

Si verifica una situazione diversa con carichi a terra. In questo caso, l'interruzione da parte delle due fasi sane non ferma il flusso di corrente nella fase difettosa. Un arco persiste nella Fase 3 senza niente che lo estingua, e questa corrente continua fino a quando non opera la protezione di backup. Il risultato è tipicamente un danno catastrofico all'interruttore.

Poiché gli interruttori a vuoto nella gamma 3–15 kV sono principalmente utilizzati in sistemi a terra, abbiamo indagato sugli effetti di un interruttore guasto nel nostro laboratorio di test anni fa. Abbiamo deliberatamente esposto un interruttore a vuoto alla pressione atmosferica ("schiacciandolo") e poi sottoposto l'interruttore a un test completo di interruzione a cortocircuito.

Come previsto, l'interruttore "piatto" non è riuscito a eliminare il guasto nella fase interessata e si è distrutto. L'interruttore di backup del laboratorio ha eliminato con successo il guasto.

Dopo il test, l'interruttore è stato rimosso dalla cella di distribuzione. Era fortemente annerito ma meccanicamente integro. Fumo e fuliggine sono stati rimossi dall'interruttore e dal quadro di distribuzione, l'unità difettosa è stata sostituita e l'interruttore è stato reinserito nella cella. Più tardi nello stesso giorno, è stato eseguito un altro test di cortocircuito—con successo. Anni di esperienza sul campo successivi hanno confermato i risultati di questi test di laboratorio.

Uno dei nostri clienti, una grande azienda chimica, ha riscontrato guasti isolati su configurazioni di circuito simili (uno con un interruttore ad aria-magnetico, uno con un interruttore a vuoto) in due impianti diversi in paesi diversi. Entrambi condividevano una configurazione di circuito comune e un modo di guasto comune: un circuito di collegamento dove le fonti di alimentazione su entrambi i lati dell'interruttore erano fuori sincronia, applicando quasi il doppio della tensione nominale attraverso la fessura dei contatti. Questo ha causato il guasto dell'interruttore.

Questi guasti sono dovuti a condizioni di applicazione che violavano le linee guida ANSI/IEEE e superavano di gran lunga le specifiche progettuali dell'interruttore. Non indicano un difetto di progettazione. Tuttavia, l'entità del danno è istruttiva:

• Nel caso dell'interruttore ad aria-magnetico, l'involucro dell'unità si è rotto violentemente. Le celle di distribuzione adiacenti su entrambi i lati hanno subito danni estesi, richiedendo una ricostruzione importante. L'interruttore era un totale disastro.

• Nel caso dell'interruttore a vuoto, il guasto è stato significativamente meno violento. L'interruttore a vuoto difettoso è stato sostituito, i prodotti dell'arco (fuliggine) sono stati rimossi dall'interruttore e dalla cella, e il sistema è stato ripristinato in servizio.

I nostri estesi test di laboratorio, dove spingiamo regolarmente gli interruttori a vuoto ai loro limiti, supportano questi risultati reali.

Di recente, sono stati condotti diversi test ad alta potenza nel nostro laboratorio per valutare tentativi di interruzione utilizzando interruttori a vuoto "perdenti". È stato praticato un piccolo foro (~3 mm di diametro) nell'involucro dell'interruttore per simulare la perdita di vuoto. I risultati sono stati rivelatori:

• Una corrente normale di 1.310 A (corrente continua nominale: 1.250 A) è stata interrotta da un polo di un interruttore a vuoto. La corrente ha fluìto attraverso l'interruttore "difettoso" per 2,06 secondi prima che l'interruttore di backup del laboratorio eliminasse il guasto. Nessuna parte è stata espulsa, l'interruttore non è esploso e solo la vernice sull'involucro dell'interruttore si è vescicolata. Non si è verificato alcun altro danno.

• Un secondo polo dello stesso interruttore ha tentato di interrompere 25 kA (corrente di interruzione nominale: 25 kA). L'arco è durato 0,60 secondi prima che l'interruttore del laboratorio eliminasse il guasto. L'arco ha bruciato un foro sul lato dell'involucro dell'interruttore. Non si è verificata alcuna esplosione o dispersione di detriti. Particelle luminose sono state espulse dal foro, ma nessun componente meccanico o interruttori adiacenti sono stati danneggiati. Tutti i danni sono stati confinati all'interruttore difettoso.

Questi test confermano che le conseguenze di un guasto di un interruttore a vuoto sono significativamente meno gravi rispetto ai guasti in altre tecnologie di interruzione.

Ma la vera domanda non è cosa succede quando fallisce, ma quanto è probabile che fallisca?

Le tariffe di guasto degli interruttori a vuoto sono estremamente basse. La perdita di vuoto non è più una preoccupazione significativa.

All'inizio degli anni '60, gli interruttori a vuoto erano soggetti a perdite—questo era un problema maggiore. Le prime progettazioni utilizzavano giunti brasati o saldati tra materiali diversi, senza materiali organici. L'artigianato manuale era comune, specialmente con isolatori in vetro borosilicato, che non potevano resistere a temperature elevate.

Oggi, la saldatura automatica e la brasatura in forno a induzione in batch sono utilizzate con controlli di processo estremamente rigorosi. L'unica parte mobile all'interno di un interruttore a vuoto è il contatto in rame, connesso alla placca finale tramite una campana in acciaio inossidabile saldata. Poiché entrambe le estremità della campana sono saldate, la tariffa di guasto di questo sigillo mobile è eccezionalmente bassa—dimostrando l'elevata affidabilità degli interruttori a vuoto moderni.

Infatti, il MTTF (Mean Time To Failure) degli interruttori a vuoto moderni è ora stimato a 57.000 anni.

Le preoccupazioni dei clienti riguardo alla perdita di vuoto erano valide negli anni '60, quando gli interruttori a vuoto erano nuovi per le applicazioni di energia. All'epoca, gli interruttori a vuoto spesso perdevano, e i problemi di sovratensione erano comuni. Solo una società offriva interruttori a vuoto, e i rapporti indicavano numerosi problemi.

Entro la metà degli anni '70, gli interruttori a vuoto sviluppati in Europa—come i design moderni Siemens—differivano fondamentalmente dai modelli degli anni '60 nei materiali e nei controlli di processo. I contatti in rame-bismuto erano più soggetti a sovratensioni rispetto alle leghe rame-cromo attuali. Gli interruttori costruiti a mano erano più soggetti a perdite rispetto alle unità prodotte con precisione oggi.

Oggi, i rigorosi controlli di processo e l'automazione hanno eliminato la maggior parte della variabilità umana. Di conseguenza, gli interruttori a vuoto moderni offrono una vita utile lunga, e lo stress dielettrico che impongono all'equipaggiamento connesso non è peggiore di quello degli interruttori tradizionali ad aria-magnetica o a olio.