Analisi completa degli interruttori in vuoto: principi di funzionamento e applicazioni

Interruttore per vuoto è un tipo di apparecchiatura di commutazione specializzata nel sistema elettrico, in grado di interrompere rapidamente la corrente quando il circuito è difettoso, in modo da proteggere il circuito e le relative apparecchiature. In questo articolo discuteremo in dettaglio il principio di funzionamento, le caratteristiche di progettazione dell'interruttore sottovuoto e la sua importanza nel moderno sistema elettrico.

Che cos'è un interruttore automatico sottovuoto?

Interruttore in vuoto, definito come interruttore con interruzione in vuoto, che opera in un mezzo vuoto per ottenere un'efficiente interruzione e accensione della corrente. Questo design consente agli interruttori in vuoto di avere capacità superiori di isolamento e spegnimento dell'arco elettrico in presenza di tensioni elevate.

Principio di funzionamento degli interruttori in vuoto

Il principio principale degli interruttori in vuoto è quello di eliminare l'energia dell'arco nei contatti (mobili e statici). Quando i contatti dell'interruttore vengono aperti nel vuoto, si crea un arco tra i contatti. Tuttavia, poiché gli ioni e i vapori metallici si condensano rapidamente sulle superfici di contatto, l'arco può essere spento rapidamente, aumentando così la resistenza del dielettrico. Questa caratteristica rende gli interruttori in vuoto ideali per i sistemi di alimentazione ad alta tensione.

Caratteristiche degli interruttori in vuoto

Il dielettrico isolante degli interruttori in vuoto presenta un'eccellente capacità di estinzione dell'arco, paragonabile a quella degli interruttori in aria e SF6. I contatti funzionano in un ambiente sotto vuoto e sono in grado di interrompere la corrente iniziale al di sotto dello zero, aumentando in modo significativo la resistenza del dielettrico. Questo design rende gli interruttori sottovuoto efficienti, leggeri e convenienti, senza richiedere una manutenzione costosa.

Natura degli interruttori in vuoto

La distanza di apertura del contatto è ridotta. La distanza di apertura dei contatti degli interruttori sotto vuoto è ridotta. Ad esempio, per un interruttore da 10kV è sufficiente una distanza di apertura di circa 10mm, con una potenza di funzionamento ridotta e una lunga durata meccanica.
Il tempo di combustione dell'arco è breve: il tempo di combustione dell'arco di un interruttore sottovuoto è molto breve, di solito circa mezza settimana d'onda, circa 10 ms; è irrilevante per le dimensioni della corrente.
Ciò è ulteriormente rafforzato dalle migliori caratteristiche dielettriche del vuoto, che lo rendono adatto alla disconnessione dei guasti nelle vicinanze.
Tempo di funzionamento più lungo: poiché l'usura al momento dell'innesto del contatto è troppo ridotta, la vita elettrica di un interruttore sottovuoto è lunga. Con questo dispositivo è possibile effettuare da 30 a 50 aperture a pieno regime e la corrente nominale raggiunta può essere di 5000 cicli o più.
Nel caso degli interruttori sottovuoto, le dimensioni e il peso sono inferiori rispetto agli interruttori convenzionali; di conseguenza, l'installazione e la manutenzione diventano semplici.
Compatibile con il carico capacitivo: in grado di interrompere la corrente del carico capacitivo; compatibile con l'applicazione della rete elettrica ad alta tensione.

Tipo di interruttore sottovuoto

La designazione tipica di un modello di interruttore sottovuoto comprende diverse lettere seguite da un numero, la cui combinazione definisce le caratteristiche progettuali e prestazionali. Seguono alcune interpretazioni specifiche:
Codice prodotto: per rappresentare le lettere dei diversi tipi di interruttori, "Z" per gli interruttori sotto vuoto, altri sono "S" - interruttori senza olio, "K" - interruttori ad aria, "L" - interruttori all'esafluoruro di zolfo e così via.
Codice del luogo di installazione: "N" significa installazione interna e "W" significa installazione esterna.
Serie di disegni: 1, 2, 3, ecc. sono numeri che indicano una serie di disegni.
Tensione nominale kV, ovvero il grado di tensione nominale dell'interruttore potrebbe essere 10kV o 12kV.
Corrente nominale in A: valore della corrente che l'interruttore può sopportare in sicurezza, ad esempio 630A, 1250A, ecc.
Corrente nominale di interruzione: valore massimo della corrente che un interruttore automatico è in grado di interrompere in condizioni di cortocircuito, ad esempio 20kA, 25kA ecc.
Ad esempio, il significato dell'interruttore sottovuoto di tipo ZN12-10 è
"Z" per interruttore automatico sottovuoto
"N" = Installazione all'interno
"12" rappresenta la serie di design n.
"10" indica che la tensione nominale è di 10kV.

Applicazioni degli interruttori in vuoto

Gli interruttori in vuoto sono utilizzati nei sistemi di alimentazione in cui la tensione è compresa tra 11kV e 33kV. Durante il loro funzionamento, i contatti sono completamente sigillati in un cilindro sottovuoto, garantendo la separazione senza la generazione di archi elettrici. I vantaggi offerti da questo design includono bassi requisiti di manutenzione, assenza di emissioni di gas, lunga durata e bassi livelli di rumore, che lo rendono ideale per gli ambienti interni.

Tecnica di selezione degli interruttori in vuoto

La scelta dell'interruttore sottovuoto appropriato deve basarsi su quanto segue:

La selezione avviene in base al tipo di quadro:
Nei quadri fissi per interni, come quelli da 10kV, questo tipo di interruttore ZN28 è il più applicabile, avendo proprietà per le operazioni elettriche e manuali tramite un meccanismo a molla.
Nei dispositivi di commutazione per interni del tipo ad apertura mobile, come il tipo KYN con meccanismo di azionamento integrato a molla, è possibile scegliere l'interruttore di tipo VS1.
Selezione della corrente nominale: La corrente nominale normale sarà di 630A, 1000A, 1250A, 1600A, ecc. Deve essere selezionata in base al calcolo della corrente di carico.
Per esempio, un trasformatore da 2000kVA con corrente nominale di 115,5A selezionerà un interruttore da 630A.
Calibrazione della corrente di interruzione La corrente di interruzione nominale dell'interruttore deve essere superiore al valore di picco della corrente di cortocircuito nel luogo di installazione.
Ad esempio, se la corrente di cortocircuito massima è di 26kA, è possibile selezionare la seguente specifica: l'interruttore la cui corrente di apertura è di 31,5kA.
Altre variabili di calibrazione sono la spaziatura relativa delle fasi, i parametri dipendenti dall'installazione, le condizioni di interblocco, la presenza di una bobina di sovracorrente o di una bobina di perdita di tensione, tra le altre cose per la compatibilità del sistema.

Principio di funzionamento degli interruttori sottovuoto ad alta tensione

Gli interruttori in vuoto ad alta tensione sono dispositivi di commutazione progettati per sistemi di alimentazione ad alta tensione, che utilizzano il vuoto come mezzo di isolamento e di estinzione dell'arco, e sono caratterizzati da dimensioni ridotte, peso ridotto e manutenzione semplice.

Componenti degli interruttori in vuoto

I componenti importanti di un interruttore a vuoto sono i tiranti, le connessioni flessibili, i terminali, gli indicatori di vuoto, le leve di comando, le camme di bloccaggio e le molle dell'interruttore.

I componenti principali di un interruttore automatico sottovuoto comprendono:

Bottiglia sottovuoto: il componente centrale, utilizzato per l'isolamento e lo spegnimento dell'arco, solitamente in materiale ceramico o vetroso, in grado di sopportare alte temperature e alte pressioni.
Contatti: le principali parti di collegamento elettrico, solitamente realizzate in materiale di rame, con buona conducibilità elettrica e resistenza all'usura.
Contatti fissi: contatti fissi situati nel corpo della bottiglia per vuoto per garantire la stabilità e la sicurezza del circuito.
Molla: è la principale fonte di forza utilizzata per spingere la separazione tra la bottiglia a vuoto e il contatto mobile.
Leva di comando: il dispositivo che controlla lo stato di commutazione dell'interruttore sottovuoto, che può essere azionato a mano o da un motore elettrico.
Asta conduttiva: il componente elettrico che collega l'alimentazione esterna ai contatti interni dell'interruttore sotto vuoto.
Meccanismo di sgancio: Meccanismo che assicura l'apertura rapida dell'interruttore a vuoto in condizioni anomale.

Interruttore a vuoto: il componente principale, l'ambiente interno ad alto vuoto.
Meccanismo di funzionamento: controlla l'apertura e la chiusura dell'interruttore.
Parti di supporto per l'isolamento: sostengono le parti e forniscono l'isolamento.
Connettori conduttivi: collegano le varie parti del circuito.
Guscio: protegge i componenti interni dall'ambiente esterno.

Meccanismo di funzionamento

La camera di interruzione sotto vuoto è normalmente mantenuta in un alto vuoto inferiore a 10^-4 Pa, un ambiente che impedisce efficacemente il flusso di corrente. Quando è necessario scollegare il circuito, i contatti mobili e statici si separano rapidamente e l'arco si spegne rapidamente a causa della mancanza di gas di supporto, completando così la disconnessione.

Il meccanismo di funzionamento è responsabile dell'apertura e della chiusura dell'interruttore e di solito contiene un dispositivo di accumulo di energia a molla che aziona la separazione dei contatti rilasciando l'energia immagazzinata. Il meccanismo può essere controllato manualmente o a distanza.

Manutenzione e applicazioni

La manutenzione degli interruttori sottovuoto ad alta tensione è relativamente semplice e consiste principalmente in ispezioni regolari dell'aspetto, del vuoto e dell'usura dei contatti. Sono ampiamente utilizzati nelle sottostazioni, nella distribuzione industriale e nelle reti urbane per garantire il funzionamento sicuro e affidabile dei sistemi di alimentazione ad alta tensione.

Conclusione

Gli interruttori in vuoto ad alta tensione sono ampiamente utilizzati nei sistemi di alimentazione ad alta tensione per la loro elevata affidabilità, lunga durata e semplicità di manutenzione. In futuro, con il progresso della scienza e della tecnologia e lo sviluppo della smart grid, gli interruttori sottovuoto svolgeranno un ruolo sempre più importante nella gestione efficiente dell'energia e nello sviluppo sostenibile.