Un articolo per comprendere come selezionare i parametri meccanici degli interruttori a vuoto

1. Distanza nominale dei contatti

Quando un interruttore a vuoto si trova in posizione aperta, la distanza tra i contatti mobili e fissi all'interno dell'interruttore a vuoto è nota come distanza nominale dei contatti. Questo parametro è influenzato da diversi fattori, inclusa la tensione nominale dell'interruttore, le condizioni di funzionamento, la natura della corrente di interruzione, il materiale dei contatti e la resistenza dielettrica dello spazio a vuoto. Dipende principalmente dalla tensione nominale e dal materiale dei contatti.

La distanza nominale dei contatti influenza significativamente le prestazioni isolanti. Man mano che la distanza aumenta da zero, la resistenza dielettrica migliora. Tuttavia, oltre un certo punto, ulteriori aumenti della distanza portano a benefici marginali nelle prestazioni isolanti e possono ridurre drasticamente la vita meccanica dell'interruttore.

In base all'esperienza di installazione, funzionamento e manutenzione, le gamme tipiche della distanza nominale dei contatti sono:

• 6kV e inferiore: 4–8 mm

• 10kV e inferiore: 8–12 mm

• 35kV: 20–40 mm

2. Corsa dei contatti (sovrascorrimento)

La corsa dei contatti deve essere selezionata per garantire che venga mantenuta una pressione sufficiente sui contatti anche dopo l'usura. Fornisce inoltre all'ingresso del contatto mobile un'energia cinetica iniziale durante l'apertura, aumentando la velocità iniziale di apertura per rompere le saldature, ridurre il tempo di arco e accelerare il recupero dielettrico. Durante la chiusura, permette alla molla del contatto di fornire un'amortizzazione fluida, minimizzando il rimbalzo dei contatti.

Se la corsa dei contatti è troppo piccola:

• Pressione insufficiente sui contatti dopo l'usura

• Velocità iniziale di apertura bassa, con conseguente impatto sulla capacità di interruzione e sulla stabilità termica

• Rimbalzo e vibrazione severi durante la chiusura

Se la corsa dei contatti è troppo grande:

• Energia di chiusura richiesta maggiore

• Affidabilità ridotta dell'operazione di chiusura

Solitamente, la corsa dei contatti è del 20%–40% della distanza nominale dei contatti. Per gli interruttori a vuoto da 10kV, questa è generalmente di 3–4 mm.

3. Pressione operativa dei contatti

La pressione operativa dei contatti di un interruttore a vuoto ha un impatto significativo sulle prestazioni. È la somma della forza di chiusura intrinseca dell'interruttore a vuoto e della forza della molla dei contatti. La scelta appropriata deve soddisfare quattro requisiti:

• Mantenere la resistenza dei contatti entro i limiti specificati

• Soddisfare i requisiti dei test di stabilità dinamica

• Sopprimere il rimbalzo durante la chiusura

• Ridurre la vibrazione durante l'apertura

La chiusura sotto corrente di cortocircuito è la condizione più critica: le correnti pre-arco generano repulsione elettromagnetica, causando il rimbalzo dei contatti, mentre la velocità di chiusura è al minimo. Questa situazione mette a dura prova se la pressione dei contatti è sufficiente.

Se la pressione dei contatti è troppo bassa:

• Tempo di rimbalzo durante la chiusura aumentato

• Resistenza del circuito principale superiore, con conseguente aumento della temperatura durante l'operazione continua

Se la pressione dei contatti è troppo alta:

• Forza della molla aumentata (poiché la forza di chiusura intrinseca è costante)

• Requisito energetico di chiusura maggiore

• Impatto e vibrazione maggiori sull'interruttore a vuoto, rischiando danni

Nella pratica, la forza elettromagnetica dei contatti dipende non solo dalla corrente di cortocircuito massima, ma anche dalla struttura, dimensioni, durezza e velocità di apertura dei contatti. Un approccio complessivo è essenziale.

Dati empirici per la pressione dei contatti in base alla corrente di interruzione:

• 12,5 kA: 50 kg

• 16 kA: 70 kg

• 20 kA: 90–120 kg

• 31,5 kA: 140–180 kg

• 40 kA: 230–250 kg

4. Velocità di apertura

La velocità di apertura influenza direttamente il tasso di recupero della resistenza dielettrica dopo lo zero di corrente. Se il recupero della resistenza dielettrica è più lento della tensione di recupero crescente, può verificarsi una riaccesa dell'arco. Per prevenire la riaccesa e minimizzare il tempo di arco, è essenziale una velocità di apertura adeguata.

La velocità di apertura dipende principalmente dalla tensione nominale. Per una tensione e una distanza dei contatti fisse, la velocità richiesta varia in base alla corrente di interruzione, al tipo di carico e alla tensione di recupero. Correnti di interruzione superiori e correnti capacitive (con alta tensione di recupero) richiedono velocità di apertura superiori.

Velocità di apertura tipica per interruttori a vuoto da 10kV: 0,8–1,2 m/s, talvolta superiore a 1,5 m/s.

Nella pratica, la velocità iniziale di apertura (misurata nei primi pochi millimetri) ha un impatto maggiore sulle prestazioni di interruzione rispetto alla velocità media. Gli interruttori ad alte prestazioni e quelli da 35kV spesso specificano questa velocità iniziale.

Sebbene una velocità superiore sembri vantaggiosa, una velocità eccessiva aumenta la vibrazione e il sovrascorrimento, intensificando lo stress sui campani e portando a una fatica prematura e a perdite. Aumenta inoltre lo stress meccanico sul meccanismo, rischiando il guasto dei componenti.

5. Velocità di chiusura

A causa della elevata resistenza dielettrica statica degli interruttori a vuoto alla distanza nominale, la velocità di chiusura richiesta è significativamente inferiore a quella di apertura. Una velocità di chiusura adeguata è necessaria per minimizzare l'erosione elettrica pre-arco e prevenire la saldatura dei contatti. Tuttavia, una velocità di chiusura eccessiva aumenta l'energia di chiusura e sottopone l'interruttore a un impatto maggiore, riducendo la durata di servizio.

Velocità di chiusura tipica per interruttori a vuoto da 10kV: 0,4–0,7 m/s, fino a 0,8–1,2 m/s se necessario.

6. Tempo di rimbalzo durante la chiusura

Il tempo di rimbalzo durante la chiusura è un indicatore chiave delle prestazioni degli interruttori a vuoto. È influenzato dalla pressione dei contatti, dalla velocità di chiusura, dalla distanza dei contatti, dal materiale dei contatti, dal design dell'interruttore, dalla struttura dell'interruttore e dalla qualità dell'installazione/aggiustamento.

Un tempo di rimbalzo più breve indica migliori prestazioni. Un rimbalzo eccessivo causa un'erosione elettrica severa, aumenta il rischio di sovratensione e può portare a saldature dei contatti durante operazioni di commutazione di cortocircuito o di condensatori, nonché durante i test di stabilità termica. Un rimbalzo prolungato accelera inoltre la fatica dei campani.

Per interruttori a vuoto da 10kV con contatti in rame-cromo, il tempo di rimbalzo durante la chiusura non dovrebbe superare i 2 ms. Per altri materiali, può essere leggermente superiore ma non dovrebbe superare i 5 ms.

7. Sincronismo a tre poli

Il sincronismo a tre poli misura il grado di simultaneità nella chiusura o nell'apertura dei tre poli. Poiché i valori di sincronismo di apertura e chiusura sono simili, solitamente viene specificato solo il sincronismo di chiusura.

Un cattivo sincronismo influisce gravemente sulla capacità di interruzione e prolunga il tempo di arco. Grazie alle elevate velocità operative e alle piccole distanze, un'accurata regolazione può facilmente soddisfare i requisiti. Il sincronismo di chiusura è generalmente richiesto entro 1 ms.

8. Allineamento dei contatti mobili e fissi (assialità)

L'allineamento assiale corretto dei contatti mobili e fissi è cruciale per le prestazioni dell'interruttore a vuoto ed è garantito attraverso la precisione di fabbricazione. Se questo allineamento viene mantenuto dopo l'installazione dipende dal tipo di meccanismo di funzionamento e dal processo di assemblaggio.

Per i meccanismi sospesi, l'allineamento è determinato principalmente dal meccanismo stesso. Per i tipi a pavimento, l'allineamento meccanico è altrettanto importante. Durante l'installazione, evitare di applicare forze di taglio o laterali all'interruttore.

Tolleranza tipica di assialità: ≤2 mm.