Interruttori automatici in vuoto ad alta tensione: progettazione e principio di funzionamento

Tra le moderne apparecchiature ad alta tensione progettate per la commutazione di circuiti elettrici in elettricità, un posto speciale è assegnato agli interruttori automatici sottovuoto. Sono ampiamente utilizzati nelle reti da 6 a 35 kV e meno spesso negli schemi da 110 o 220 kV inclusi.

La loro corrente di interruzione nominale può essere compresa tra 20 e 40 kA e la loro resistenza elettrodinamica è di circa 50 ÷ 100. Il tempo totale di intervento di un tale interruttore o guasto è di circa 45 millisecondi.

Ogni fase del circuito è separata in modo affidabile da isolatori e allo stesso tempo tutte le apparecchiature sono assemblate strutturalmente su un azionamento comune. Le sbarre della sottostazione sono collegate ai terminali di ingresso dell'interruttore e la connessione di uscita ai terminali di uscita.

I contatti di potenza operano all'interno dell'interruttore sottovuoto che vengono premuti insieme per fornire una resistenza di contatto minima e un passaggio affidabile sia delle correnti di carico che di emergenza.

La parte superiore del sistema di contatto è fissata in modo permanente e la parte inferiore sotto l'azione della forza motrice è in grado di muoversi rigorosamente nella direzione assiale.

L'immagine mostra che le piastre di contatto si trovano in una camera a vuoto e sono azionate da aste controllate dalle forze di tensione delle molle e delle bobine degli elettromagneti. L'intera struttura si trova all'interno di un sistema di isolatori, escludendo il verificarsi di correnti di dispersione.

Le pareti della camera a vuoto sono realizzate con metalli purificati, leghe e speciali composizioni ceramiche che garantiscono l'ermeticità dell'ambiente di lavoro per diversi decenni. Per escludere l'ingresso di aria durante i movimenti del contatto mobile, è installato un dispositivo a manicotto.

L'armatura di un elettromagnete in corrente continua può muoversi per chiudere i contatti di potenza o romperli a causa di un cambiamento di polarità della tensione applicata alla bobina. Un magnete circolare permanente integrato nella struttura di azionamento mantiene la parte mobile in qualsiasi posizione di azionamento.

Il sistema di molle garantisce la creazione di velocità di movimento ottimali dell'armatura durante le commutazioni, l'esclusione del rimbalzo dei contatti e la possibilità di crolli della struttura muraria.

I circuiti cinematici ed elettrici con un albero di sincronizzazione e contatti ausiliari aggiuntivi sono assemblati all'interno del corpo dell'interruttore, fornendo la possibilità di monitorare e controllare la posizione dell'interruttore in qualsiasi stato.

Appuntamento

In termini di compiti funzionali, il rompivuoto non differisce da altri analoghi delle apparecchiature ad alta tensione. Fornisce:

1.Passaggio affidabile della potenza elettrica nominale durante il funzionamento continuo;

2. la possibilità di garantire la commutazione delle apparecchiature da parte del personale elettrico in modalità manuale o automatica durante la commutazione operativa per modificare la configurazione del circuito di lavoro;

3. rimozione automatica degli infortuni emergenti nel più breve tempo possibile.

La principale differenza tra l'interruttore sottovuoto è il metodo di estinzione dell'arco elettrico che si verifica quando i contatti vengono scollegati durante lo spegnimento. Se i suoi analoghi creano un ambiente per aria compressa, olio o gas SF6, qui funziona il vuoto.

Il principio dell'estinzione dell'arco nel circuito di potenza

Entrambe le piastre di contatto operano in un ambiente sotto vuoto formato pompando gas dal recipiente del camino a 10-6÷10-8 N/cm2. Ciò crea un'elevata rigidità dielettrica caratterizzata da migliori proprietà dielettriche.

Con l'inizio del movimento dall'azionamento dei contatti, tra loro appare uno spazio vuoto, che contiene immediatamente un vuoto. Al suo interno inizia il processo di evaporazione del metallo riscaldato dalle piazzole di contatto. La corrente di carico continua a fluire attraverso queste coppie. Avvia la formazione di ulteriori scariche elettriche, creando un arco in un ambiente sotto vuoto, che continua a svilupparsi a causa dell'evaporazione e del rilascio di vapori metallici.

Sotto l'azione della differenza di potenziale applicata, gli ioni formati si muovono in una certa direzione, creando un plasma.

Nel suo ambiente, il flusso di corrente elettrica continua, si verifica un'ulteriore ionizzazione.

Poiché l'interruttore funziona a corrente alternata, la sua direzione durante ogni mezzo ciclo viene invertita.Quando l'onda sinusoidale attraversa lo zero, non c'è corrente. A causa di ciò, l'arco si spegne bruscamente e si rompe e gli ioni metallici respinti cessano di separarsi e in 7-10 microsecondi si depositano completamente sulle superfici di contatto più vicine o su altre parti della camera di estinzione dell'arco.

A questo punto, la rigidità dielettrica dell'intercapedine tra i contatti di potenza, riempita di vuoto, viene ripristinata quasi immediatamente, il che garantisce l'arresto definitivo della corrente di carico. Nel mezzo ciclo successivo dell'onda sinusoidale, l'arco elettrico non può più verificarsi.

Pertanto, per terminare l'azione di un arco elettrico in ambiente sottovuoto, all'apertura dei contatti di potenza, è sufficiente che la corrente alternata cambi direzione.

Caratteristiche tecnologiche dei diversi modelli

Gli interruttori automatici in vuoto sono progettati per il funzionamento continuo all'aperto o in strutture chiuse. Le unità di montaggio esterne sono realizzate con montanti pieni realizzati con isolamento in silicone, e per i lavori interni vengono utilizzati composti epossidici colati.

Le camere a vuoto sono prodotte mobili in fabbrica, predisposte in modo ottimale per l'installazione in un alloggiamento stampato. Al loro interno sono già inseriti contatti di potenza realizzati con speciali tipi di leghe legate. Loro, grazie al principio di funzionamento e design applicato, forniscono un'estinzione morbida dell'arco elettrico, escludono la possibilità di sovratensione nel circuito.

Un attuatore elettromagnetico universale viene utilizzato in tutti i modelli di interruttori automatici in vuoto. Mantiene i contatti di potenza nello stato chiuso o spento a causa dell'energia di potenti magneti.

La commutazione e il fissaggio del sistema di contatto è effettuata dalla posizione del «fermo magnetico», che commuta la catena di magneti per ricollegare o disconnettere l'armatura mobile. Gli elementi a molla incorporati consentono la commutazione manuale da parte del personale elettrico.

Per controllare il funzionamento dell'ampolla in vuoto, circuiti tipici a relè o elettronici, unità a microprocessore, che possono essere posizionati direttamente nell'alloggiamento del convertitore o ricavati da dispositivi remoti in armadi, blocchi o pannelli separati.

Vantaggi e svantaggi degli interruttori in vuoto

I vantaggi includono:

• relativa semplicità del design;

• ridotto consumo di energia elettrica per la produzione di interruttori;

• convenienza nella riparazione, che consiste nella possibilità di sostituire in blocco un paracadute rotto;

• la capacità dell'interruttore di funzionare con qualsiasi orientamento nello spazio;

• alta affidabilità;

• maggiore resistenza alla commutazione di carichi;

• dimensioni limitate;

• resistenza al fuoco e all'esplosione;

• funzionamento silenzioso durante la commutazione;

• elevata compatibilità ambientale, ad eccezione dell'inquinamento atmosferico.

Gli svantaggi del design sono:

• correnti ammissibili relativamente basse delle modalità nominale e di emergenza;

• il verificarsi di picchi di commutazione durante interruzioni di basse correnti induttive;

• risorsa ridotta del dispositivo ad arco in termini di eliminazione delle correnti di corto circuito.