Interruttori a gas SF6: criteri di scelta e regole di collegamento

Il funzionamento delle reti elettriche ad alta tensione in base alle caratteristiche di corrente non è paragonabile al funzionamento delle apparecchiature domestiche. Di conseguenza, in caso di emergenza, per scollegare le apparecchiature e spegnere l'arco elettrico sono necessari dispositivi più potenti rispetto ai normali interruttori automatici.

Come dispositivi di protezione vengono utilizzati interruttori a SF6 (EV), che possono essere controllati sia manualmente che tramite automazione. Abbiamo descritto in dettaglio le caratteristiche costruttive e il principio di funzionamento dei dispositivi. Abbiamo fornito raccomandazioni per l'installazione, il collegamento e la manutenzione.

Definizione e applicazione dell'esafluoruro di zolfo

L'esafluoruro di zolfo è un gas elettrotecnico noto come SF6. Grazie alle sue proprietà isolanti, viene attivamente utilizzato nella produzione di dispositivi elettrotecnici.

Allo stato neutro, l'esafluoruro di zolfo è un gas inodore, incolore e non infiammabile. Rispetto all'aria, ha un'alta densità (6,7) e una massa molecolare 5 volte superiore.

Uno dei vantaggi dell'SF6 è la resistenza agli agenti esterni. Non modifica le sue caratteristiche in qualsiasi condizione. Se si verifica una decomposizione durante una scarica elettrica, si ha un completo e necessario recupero in breve tempo.

Il segreto è che le molecole di SF6 legano gli elettroni e formano ioni negativi. La proprietà di 'elettronegatività' conferisce all'esafluoruro di zolfo una caratteristica come la rigidità dielettrica.

In pratica, la rigidità dielettrica dell'aria è 2-3 volte inferiore a quella dell'SF6. Inoltre, è ignifugo, in quanto appartiene a sostanze non infiammabili, e ha capacità di raffreddamento.

Quando è nata la necessità di trovare un gas per lo spegnimento dell'arco elettrico, sono state studiate le proprietà di SF6 (esafluoruro di zolfo), tetracloruro di carbonio e freon. Nei test, ha vinto l'SF6.

Le caratteristiche elencate hanno reso l'SF6 estremamente adatto per l'uso nel settore elettrotecnico, in particolare nei seguenti dispositivi:

• trasformatori di potenza che funzionano secondo il principio dell'induzione magnetica;
• apparecchiature di distribuzione di tipo compatto;
• linee ad alta tensione che collegano impianti remoti;
• interruttori ad alta tensione.

Tuttavia, alcune proprietà dell'esafluoruro di zolfo hanno portato alla necessità di migliorare la struttura dell'interruttore. Il principale inconveniente riguarda il passaggio dalla fase gassosa a quella liquida, possibile in determinate combinazioni di parametri di pressione e temperatura.

Per garantire un funzionamento ininterrotto dell'apparecchiatura, è necessario assicurare condizioni ottimali. Supponiamo che per il funzionamento dei dispositivi a SF6 a -40º sia necessaria una pressione non superiore a 0,4 MPa e una densità inferiore a 0,03 g/cm³. In pratica, se necessario, il gas viene riscaldato per impedire il passaggio alla fase liquida.

Costruzione dell'interruttore a SF6

Se si confrontano i dispositivi a SF6 con analoghi di altri tipi, per struttura sono più simili agli interruttori a olio. La differenza risiede nel riempimento delle camere di estinzione dell'arco.

Come riempitivo, negli interruttori ad olio viene utilizzata una miscela oleosa, mentre in quelli a gas SF6 si usa esafluoruro di zolfo. Il vantaggio della seconda opzione è la durata e la minima manutenzione.

Schema di un dispositivo a SF6 di tipo a colonna. I moduli di estinzione dell'arco, fissati su un supporto elevato, si trovano nella parte superiore, mentre l'armadio di comando è nella parte inferiore.

I metodi di estinzione dell'arco elettrico dipendono da molti fattori, tra cui i principali sono la corrente nominale e la tensione, nonché le condizioni di utilizzo del dispositivo.

In totale si distinguono quattro tipi di interruttori a SF6:

• con soffio elettromagnetico;
• con soffio in SF6 – con 1 stadio di pressione;
• con soffio longitudinale – con 2 stadi di pressione;
• con soffio autogenerato.

Se negli interruttori ad aria il gas viene rilasciato nell'atmosfera durante l'estinzione dell'arco, in quelli a SF6 rimane in uno spazio chiuso riempito con una miscela di gas. In questo modo si mantiene una leggera sovrappressione.

Dispositivi colonnari e a serbatoio

In pratica si utilizzano due tipi di impianti a SF6:

• a serbatoio;
• a colonna.

Le differenze riguardano sia le caratteristiche costruttive sia il principio di estinzione dell'arco. Esternamente, i modelli a colonna assomigliano agli analoghi a basso contenuto di olio: sono composti da due parti funzionali – la camera di estinzione e i contatti – e hanno dimensioni volumetriche simili.

I dispositivi di interruzione sono progettati per funzionare con rete a 220 V e appartengono ad apparecchiature monofase. Un esempio di interruttore a SF6 di tipo a colonna è l'LF 10 di Schneider Electric.

Il comando dell'apparecchiatura può essere effettuato in due modi diversi: manualmente, quando la regolazione e il controllo vengono eseguiti tramite dispositivi meccanici, e a distanza, automaticamente.

I dispositivi a SF6 di tipo a serbatoio sono di dimensioni ridotte e dotati di un azionamento multifase. Questa disposizione consente un migliore controllo e una regolazione graduale dei parametri di tensione.

Uno dei vantaggi degli interruttori SF6 a serbatoio è la capacità di sopportare carichi maggiorati. Questa qualità è garantita dal trasformatore di corrente integrato nella struttura.

Un esempio di dispositivo a serbatoio è l'interruttore SF6 DT2-550 F3 di Alstom Grid. Dispositivi simili si sono dimostrati validi nei sistemi elettrici con tensione di 500 kV.

La struttura è assemblata e progettata per funzionare senza malfunzionamenti a temperature basse (critiche), umidità elevata, nonché in regioni con attività sismica e inquinamento atmosferico elevato.

Principio di spegnimento dell'arco

Per comprendere il funzionamento del dispositivo, prendiamo come esempio l'interruttore LW36 del produttore cinese CHINT.

Durante l'apertura, la molla agisce sugli elementi dinamici del cilindro, che scendono verso il basso. Tutti i contatti, tranne quelli di estinzione dell'arco, si aprono. Quando anche i contatti di estinzione dell'arco, attraverso i quali passa la corrente, si disconnettono, si genera un arco elettrico.

Il gas caldo si sposta nella camera termica, e la valvola di non ritorno si attiva. Quando il gas proveniente dalla camera termica viene soffiato nell'intercapedine, l'arco si estingue.

Se si scollegano correnti di piccola entità, la pressione nella camera termica non è sufficiente, quindi si utilizza la pressione dalla camera di compressione (che è sempre maggiore). La valvola di non ritorno si apre, il gas fluisce liberamente nell'intercapedine e, al passaggio per lo zero, estingue l'arco.

Schema della disposizione interna e del funzionamento delle valvole mobili, fisse, di decompressione e di non ritorno. Posizione 1: chiusura; Posizione 2: apertura di correnti elevate; Posizione 3: apertura di correnti basse; Posizione 4: apertura dell'apparecchio.

I moderni interruttori a colonna presentano caratteristiche migliorate. La manutenzione è ridotta al minimo, la durata di commutazione è aumentata. Gli interruttori SF6 si distinguono per il basso livello di rumore, la meccanica affidabile e la semplicità dei lavori di installazione e collaudo.

La regolazione dei modelli a serbatoio viene effettuata tramite azionamento e trasformatori. L'azionamento a molla o a molla-idraulico controlla i processi di chiusura/apertura e il livello di mantenimento dell'arco elettrico.

A cosa serve l'azionamento?

L'azionamento è progettato per eseguire tutte le operazioni relative all'apertura/chiusura o al mantenimento dell'apparecchiatura in una determinata posizione. Lo schema mostra dove può essere posizionato l'azionamento. Di solito si trova al livello del suolo o su un supporto basso, che garantisce al personale di manutenzione un facile accesso ai dispositivi di regolazione.

Schema della struttura dell'interruttore a serbatoio: 1 – moduli in porcellana o polimerici; 2 – trasformatori; 3 – serbatoio con dispositivo di estinzione a gas; 4 – camera con gas; 5 – azionamento di tipo idraulico; 6 – telaio metallico; 7 – connettore per l'introduzione di SF6.

L'azionamento è composto da un meccanismo di inserimento, un dispositivo di fissaggio - un fermo, un meccanismo di sgancio. Il processo di inserimento deve avvenire il più rapidamente possibile per evitare la saldatura dei contatti.

Durante l'inserimento vengono applicate grandi forze per superare l'attrito di tutti gli elementi coinvolti. Lo spegnimento è più semplice e consiste nel movimento inverso del fermo, che garantisce l'inserimento e il suo mantenimento.

Esistono diversi modi di inserimento/spegnimento:

• meccanico;
• a molla;
• a peso;
• pneumatico;
• elettromagnetico.

Per sistemi di bassa potenza si utilizza il comando manuale. In questo caso è sufficiente la forza di un operatore. Lo spegnimento dei meccanismi manuali avviene solitamente in modalità automatica. Anche l'azionamento a molla viene azionato manualmente, ma a volte vengono impiegati motori elettrici di bassa potenza.

La posizione tradizionale dell'azionamento è vicino al telaio metallico di montaggio. L'integrità e il funzionamento del meccanismo sono garantiti da un robusto involucro metallico: un armadio con sportello comodo per il lavoro dell'operatore.

Per l'utilizzo di un azionamento elettromagnetico è necessaria più energia, quindi è richiesta una fonte di corrente costante di circa 58 A con tensione di 220 V. Come meccanismo di spegnimento di riserva è presente una leva manuale. I dispositivi elettromagnetici si distinguono per affidabilità, motivo per cui vengono utilizzati con successo in zone con inverni rigidi. Lo svantaggio è la necessità di una batteria potente.

L'azionamento pneumatico si differenzia in quanto al posto dell'elettromagnete l'elemento di lavoro principale è una coppia cilindro/pistone. Grazie all'aria compressa, la velocità di inserimento è molto superiore rispetto ai modelli precedenti.

Vantaggi e svantaggi dell'uso degli interruttori a SF6

Gli interruttori in SF6, come altri tipi di dispositivi di distribuzione elettrica, presentano una serie di vantaggi e svantaggi. Nella scelta di un'installazione si effettuano i calcoli necessari e, oltre alle caratteristiche tecniche e costruttive, si considerano i pro e i contro dei modelli.

Gli interruttori di tipo SF6 funzionano in condizioni difficili con vibrazioni periodiche, basse temperature (con riscaldamento), in zone a rischio di incendio.

Tra gli svantaggi vi sono l'alto costo dell'isolante – esafluoruro di zolfo, la specificità del montaggio su quadro o fondazione, la necessità di una certa qualifica del personale operativo.

Regole di collegamento e manutenzione degli interruttori a SF6

Tutte le azioni riguardanti l'installazione, l'accensione/spegnimento, la riparazione e la manutenzione dei dispositivi a esafluoruro di zolfo sono soggette a regole rigorose, regolamentate dal PUE 1.8.21.

Per il collegamento dell'impianto è necessario verificare la presenza della pressione minima nella camera riempita di gas, altrimenti l'interruttore si guasterà. Per prevenire danni, è installato un allarme che si attiva quando i parametri di pressione scendono a livelli critici. Il livello di pressione può essere monitorato tramite un manometro.

Nell'armadio dell'azionamento sono installati elementi riscaldanti che impediscono efficacemente la formazione di condensa sugli elementi del meccanismo. L'operatore deve assicurarsi che i riscaldatori rimangano sempre accesi.

L'ispezione dell'impianto viene effettuata ogni giorno durante le ore di luce e circa 2 volte al mese durante le ore di buio. Se si è verificato uno spegnimento di emergenza per una delle cause, è necessaria un'ispezione straordinaria.

Durante l'ispezione dell'interruttore è necessario controllare la protezione esterna, rimuovere lo sporco, riparare i danni. Se i contatti si surriscaldano, occorre individuarne la causa.

In presenza di crepitii o rumori sospetti, è necessario individuare la fonte. La struttura metallica di montaggio è allo stesso tempo parte del circuito di messa a terra, pertanto è necessario verificarne l'integrità.

Vengono rilevati obbligatoriamente i valori del manometro. La pressione deve corrispondere alla norma calcolata dal produttore. È necessario verificare il corretto funzionamento degli strumenti di regolazione e controllo e, in caso di guasto di uno o più elementi, adottare misure: sostituirli o inviarli in riparazione.

Se la pressione del gas è diminuita, occorre rabboccare la camera con esafluoruro di zolfo. L'isolamento non necessita di pulizia poiché la struttura è completamente ermetica.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Come sono costruiti gli interruttori SF6, con quale principio avviene l'estinzione dell'arco e quali tipi di dispositivi esistono, si può apprendere da un video utile e informativo.

Video #1. Panoramica degli interruttori SF6 con descrizione della struttura e del principio di funzionamento:

Video #2. Caratteristiche costruttive degli impianti:

Video #3. Come viene eseguito il montaggio dell'interruttore:

Gli interruttori SF6 escono dalla catena di montaggio in piena prontezza operativa e sono progettati per funzionare in diverse zone climatiche, dalla tropicale alla fredda, pertanto sono attivamente utilizzati da aziende industriali di vari paesi.