Interruttore sottovuoto: funzionamento e principio di funzionamento + sfumature di selezione e collegamento

L'apparecchio elettrico interruttore sottovuoto – è un dispositivo progettato per il funzionamento in reti elettriche ad alta tensione. Il suo nome deriva dalla caratteristica costruttiva – la camera sottovuoto, grazie alla quale si ottiene lo spegnimento istantaneo dell'arco elettrico.

L'apparecchio viene utilizzato come interruttore, destinato a disconnettere le apparecchiature in caso di emergenza o durante il normale funzionamento. Esaminiamo più in dettaglio cos'è un interruttore sottovuoto e a cosa serve.

Come funziona un interruttore sottovuoto ad alta tensione?

La base della funzionalità delle camere sottovuoto utilizzate nella costruzione degli interruttori sono le proprietà fisiche del gas in uno stato rarefatto. In tali condizioni, la proprietà del gas, caratterizzata come resistenza dielettrica, cambia significativamente aumentando.

Questo effetto dell'ambiente altamente rarefatto (intervallo da 10^-6 a 10^-8 N/cm²) viene utilizzato con successo nella costruzione di interruttori dotati di camere sottovuoto a gas, attraverso le quali passano i gruppi di contatti elettrici.

Uno dei modelli di interruttore sottovuoto – un dispositivo utilizzato nella gestione delle reti elettriche di potenza. L'apparecchio è considerato più moderno e affidabile rispetto a dispositivi simili, ma di altro tipo di esecuzione.

La corrente che passa attraverso i gruppi di contatti (al momento della separazione del contatto) forma una scarica elettrica – un arco. L’arco viene alimentato dalla ionizzazione parziale dei vapori metallici, inevitabilmente prodotti dall'alta temperatura. Il passaggio di corrente tra i contatti attraverso il plasma formato viene mantenuto fino al momento in cui la corrente non passa per lo zero.

Non appena si verifica il momento del passaggio per lo zero, l'arco elettrico si spegne. La durata totale del processo non supera i 7-10 microsecondi.

Struttura degli interruttori sottovuoto

La varietà degli interruttori sottovuoto, tenendo conto della loro costruzione, è piuttosto ampia. Pertanto, è difficile fornire una descrizione generale di questi dispositivi. Tuttavia, indipendentemente dalle differenze costruttive, il principio di funzionamento rimane invariato.

Schema strutturale dell'interruttore a vuoto: 1 – terminale superiore; 2 – camera a vuoto; 3 – isolatore polimerico; 4 – terminale inferiore; 5 – contatto a nastro; 6 – molla di potenza; 7 – asta di trazione; 8 – molla di apertura; 9 – leva di trasmissione; 10 – albero di azionamento; 11 – sganciatore; 12 – corpo

Esaminiamo a scopo di conoscenza generale l'interruttore a vuoto tripolare, dotato di azionamento a molla-motorizzato. Questo apparecchio è progettato per installazione interna o per installazione all'aperto. In ogni caso, il suo montaggio viene eseguito all'interno di apposite scatole metalliche di distribuzione.

Gli apparecchi possono essere utilizzati nei più diversi settori dell'economia nazionale. Tuttavia vi sono alcune limitazioni.

Pertanto, gli interruttori a vuoto non sono destinati all'installazione e al successivo utilizzo nelle seguenti condizioni:

• locali in cui l'atmosfera è pericolosa per incendi o esplosioni;
• impianti che per costruzione prevedono commutazioni frequenti;
• impianti di tipo mobile (trasportabile);
• sistemi energetici di navi marittime e fluviali.

Gli interruttori a vuoto presentano in genere due tipi di esecuzione costruttiva:

1. Per installazione fissa.
2. Per installazione con carrello apparecchiature.

Indipendentemente dall'esecuzione, la zona del corpo dell'apparecchio contiene tre poli dotati di camere di estinzione dell'arco.

All'interno delle camere a vuoto operano contattori mobili azionati da un meccanismo a molla-motorizzato. Il corpo dell'apparecchio è completato da un pannello frontale che contiene elementi di indicazione e dispositivi di comando.

Elementi principali esterni dell'interruttore: 1 – poli dell'apparecchio; 2 – meccanismo di blocco dell'inserimento; 3 – finestra di sollevamento; 4 – maniglia del meccanismo di blocco dei circuiti esterni

I tre poli del circuito principale sono realizzati a forma di colonne. La disposizione dei poli è solitamente sulla parte posteriore del telaio dell'azionamento a molla-motorizzato. Ogni polo è dotato di una camera di estinzione dell'arco racchiusa all'interno di un isolatore polimerico. Per aumentare la resistenza elettrica, il corpo dell'isolatore ha una forma nervata.

All'interno di ciascuna camera a vuoto è montato un gruppo di contatti composto da due elementi – mobile e fisso. L'elemento di contatto mobile è collegato al meccanismo di commutazione tramite un isolatore di trazione. Segue il collegamento con il terminale di contatto inferiore. Il contatto fisso, invece, si collega al terminale di contatto superiore dell'apparecchio tramite un accoppiamento conico.

Come funziona l'azionamento dell'interruttore?

I contatti mobili delle camere a vuoto sono collegati meccanicamente all'albero dell'azionamento a molla-motorizzato. Grazie alla molla di potenza preventivamente caricata (posta in stato di tensione), l'azionamento può essere facilmente attivato con una semplice pressione del pulsante di comando o tramite altro meccanismo.

Schema strutturale della camera a vuoto: 1 – morsettiera del contatto fisso; 2 – contatto fisso; 3 – contatto mobile; 4 – schermo metallico; 5 – isolatore ceramico (polimerico); 6 – soffietto; 7 – morsettiera del contatto mobile

La molla (di solito due molle) viene armata tramite una trasmissione a catena. Il normale funzionamento dell'apparecchiatura prevede l'armatura della molla mediante un motore elettrico dotato di riduttore. Tuttavia, è presente una maniglia per l'armatura manuale, utilizzata in caso di guasti o perdita di alimentazione.

La molla armata viene bloccata dal meccanismo di scatto. Questo meccanismo viene azionato tramite un comando elettromagnetico o tramite un pulsante di accensione. Non appena viene attivata la modalità di accensione, il blocco viene rilasciato, la forza di trazione della molla mette in azione un meccanismo a camme. Questo, a sua volta, agisce sull'albero, che è meccanicamente collegato al meccanismo di commutazione dei contatti mobili delle camere a vuoto.

L'operazione di spegnimento dell'interruttore a vuoto viene eseguita attivando la modalità «Spento» – tramite elettromagnete o pulsante. La sequenza di azioni è praticamente analoga alla prima modalità. Qui sono coinvolte anche le molle di potenza di spegnimento, il cui stato è determinato dal meccanismo di scatto di spegnimento.

Pannello di controllo e indicatori: 1 – modalità «acceso»; 2 – modalità «spento»; 3 – stato di molla armata; 4 – stato di molla rilasciata

La facilità di funzionamento e il controllo del dispositivo sono garantiti dal pannello di controllo. Sul fronte del pannello si trovano: un contatore del numero di cicli, un indicatore dello stato della molla di armatura, un indicatore dello stato dell'interruttore a vuoto.

Caratteristiche delle costruzioni estraibili

Le apparecchiature in versione estraibile sono assemblate su un carrello per apparecchiature speciali. Con l'ausilio di questo accessorio, l'interruttore viene inserito all'interno dell'armadio o estratto da esso.

Il carrello per apparecchiature non funge solo da trasporto del dispositivo, ma svolge anche la funzione di controllore per l'inserimento del dispositivo in modalità test o in modalità operativa, non appena l'interruttore viene inserito nell'armadio.

Carrello per apparecchiature: 1 – rullo (4 pz.); 2 – base; 3, A – base mobile; 4 – maniglia (2 pz.); 5 – alloggiamento per manovella; 6 – barra di blocco; 7 – elemento di fissaggio; 8 – connettore per circuito secondario; 9 – meccanismo di blocco del dispositivo; 10 – contatti di blocco; 11 – barra di fissaggio della vite; B – parte fissa

L'interruttore a vuoto viene fissato direttamente alla parte mobile del carrello. Il fissaggio viene eseguito con giunzioni bullonate. Nel frattempo, il carrello per apparecchiature ha anche una parte fissa, dove è fissato l'azionamento della parte mobile. Il movimento del modulo mobile rispetto a quello fisso viene eseguito mediante la vite della maniglia di comando del carrello.

Parte mobile – base metallica su quattro ruote, trattata con rivestimento galvanico. È presente un blocco meccanico esterno (barra di pressione) del dispositivo di messa a terra, il blocco della vite di comando, i contatti ausiliari, il meccanismo di blocco dell'interruttore e altri elementi che assicurano il movimento o il fissaggio.

Installazione e collegamento dell'apparecchio

Prima di iniziare l'installazione dell'interruttore sotto vuoto, è necessario ispezionare tutti gli elementi esternamente accessibili per assicurarsi che non vi siano danni o difetti. Successivamente, si procede alla pulizia delle superfici isolanti dei poli con un panno asciutto e privo di lanugine.

Non è consentito installare l'apparecchiatura nel sistema se sulle superfici isolanti sono presenti scheggiature, crepe o aree deformate. È obbligatorio verificare lo schema dei circuiti secondari e il collegamento della barra di messa a terra del telaio.

Verifica dell'apparecchio installato. Qui è importante controllare attentamente ogni componente, ogni elemento di fissaggio. Gli apparecchi ad alta tensione non perdonano il minimo errore.

Prima dell'installazione, il funzionamento dell'interruttore deve essere verificato mediante accensione manuale (a vuoto, senza alimentazione) e assicurarsi della corretta posizione degli indicatori del pannello di comando. Successivamente, verificare la presenza dei coperchi dei poli. Se si utilizza apparecchiatura per corrente nominale di 1600 A o superiore, i coperchi di protezione devono essere rimossi prima del montaggio.

Collegamento diretto alla rete

Prima di collegare i terminali dei conduttori dei cavi di potenza ai morsetti dell'interruttore, è necessario pulirli.

La procedura di pulizia varia a seconda del materiale dei terminali utilizzati:

• Per terminali in rame e alluminio senza rivestimento aggiuntivo, la pulizia viene eseguita con carta abrasiva di grana M20 o inferiore, seguita dalla sgrassatura della superficie metallica.
• Se i terminali in rame o alluminio sono placcati in argento, è sufficiente pulirli con un panno privo di lanugine.

Non è consentito utilizzare cavi la cui placcatura in argento dei terminali sia danneggiata su oltre il 5% della superficie. In tal caso, l'elemento danneggiato deve essere sostituito. Maggiori informazioni sui terminali per il collegamento dei cavi sono disponibili in questo articolo.

I conduttori esterni vengono collegati ai morsetti dell'interruttore sotto vuoto in modo tale da non creare sollecitazioni meccaniche sui morsetti dell'apparecchio da parte dei conduttori esterni. I collegamenti vengono effettuati mediante giunzioni bullonate con l'uso di rondelle elastiche piatte metalliche.

Come viene effettuata la messa a terra?

Gli apparecchi in esecuzione fissa vengono collegati al piano di terra mediante giunzione bullonata (M12) direttamente nel punto contrassegnato con la marcatura «Messa a terra».

Elementi della struttura del carrello dell'apparecchiatura e del telaio dell'interruttore attraverso i quali viene eseguita la messa a terra del dispositivo. Di solito, questi punti sono contrassegnati con un segno corrispondente applicato accanto all'elemento.

L'area del punto di contatto 'Messa a terra' prima del collegamento deve essere sgrassata. Come conduttore di terra si deve scegliere una sbarra di sezione sufficiente (Regole per gli Impianti Elettrici), un filo flessibile o un conduttore a trefoli. Prima di applicare il conduttore sulla piastra di contatto, lubrificare le superfici di contatto con grasso speciale (CIATIM-203).

La struttura di tipo estraibile viene messa a terra tramite elementi del carrello dell'apparecchiatura. La messa a terra dell'interruttore a vuoto viene effettuata attraverso la struttura del carrello dell'apparecchiatura, per cui sono presenti anche elementi di fissaggio.

Messa in servizio del dispositivo

L'avvio del dispositivo in esercizio viene effettuato dopo un'ulteriore verifica dell'apparecchiatura installata e preparata. In particolare, vengono controllati l'affidabilità della messa a terra, lo stato dei fissaggi dei componenti di montaggio e l'accesso del mezzo di raffreddamento agli elementi potenzialmente riscaldanti.

Le superfici delle aste di conduzione di corrente che entrano in contatto con le lamelle dei gruppi di contatti a presa devono essere trattate con una piccola quantità di grasso CIATIM. In generale, è necessario eseguire tutte le procedure previste dalle Regole per gli Impianti Elettrici (PUE) per le prove di accettazione e verificare che il valore della tensione operativa rientri nei limiti consentiti.

Installazione dell'interruttore a vuoto. I lavori di montaggio vengono eseguiti solo da personale qualificato. Gli stessi requisiti si applicano al personale selezionato per la manutenzione delle apparecchiature ad alta tensione.

Il personale autorizzato a servire gli impianti elettrici funzionanti sotto tensione superiore a 1000 volt è autorizzato a operare l'interruttore a vuoto. Il gruppo di accesso approvato per il personale di manutenzione deve essere non inferiore al terzo. Prima di iniziare il lavoro con l'apparecchiatura, il personale segue un addestramento tecnico minimo per studiare i dettagli del modello specifico dell'apparecchiatura.

Come scegliere un interruttore sottovuoto?

Il dispositivo viene scelto tenendo conto dei suoi parametri nominali, che vengono considerati rispetto ai parametri della rete esistente nel luogo di installazione. La scelta viene effettuata in base al criterio dei modi di funzionamento più caricati previsti per le condizioni operative.

La tensione nominale dell'interruttore a vuoto può essere uguale (o aumentata) rispetto alla tensione nominale del sistema alimentato attraverso l'interruttore.

Il parametro della corrente nominale di lungo periodo viene scelto superiore al valore nominale della corrente del sistema alimentato. Il parametro della corrente nominale di interruzione viene scelto superiore al valore massimo della corrente di cortocircuito calcolata (tenendo conto del momento di apertura dei contatti).

Il cartellino con le caratteristiche tecniche è la prima cosa a cui si presta attenzione quando si sceglie un interruttore. Sulla base dei valori dei parametri, si può già determinare se l'apparecchio è adatto o meno per una specifica installazione.

Dal punto di vista delle possibili condizioni di cortocircuito, la scelta viene effettuata tenendo conto dei regimi più gravosi.

La componente aperiodica viene calcolata tenendo conto delle condizioni di cortocircuito con tensione zero su una qualsiasi delle linee di fase. A questo proposito, è necessario tenere conto del parametro della corrente aperiodica stabilito dal produttore dell'apparecchiatura.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Può scoprire ulteriori informazioni sul dispositivo, il principio di funzionamento e le condizioni di installazione dell'interruttore a vuoto dal seguente video:

Gli interruttori a vuoto si distinguono dagli altri tipi di dispositivi per la struttura relativamente semplice e affidabile. Per questo motivo, questo tipo di apparecchiatura funziona a lungo senza particolari problemi. La durata di usura naturale è determinata dal numero di operazioni, pari ad almeno 20.000. Se la manutenzione viene eseguita tempestivamente, tale durata aumenta del 5-10%. Nel frattempo, la manutenzione dell'IV si limita a un piccolo numero di operazioni semplici.

Se durante la lettura delle informazioni ha domande sull'argomento dell'articolo o dispone di informazioni preziose che può condividere con i nostri lettori, per favore lasci i suoi commenti, condivida la sua esperienza, ponga le sue domande nel blocco sotto l'articolo.