Quali parametri chiave dovresti controllare prima di selezionare un interruttore automatico in vuoto?

Cosa rende diverso un interruttore automatico in vuoto?

A interruttore automatico in vuoto (VCB) interrompe la corrente di guasto separando i suoi contatti all'interno di un'ampolla sottovuoto sigillata, dove l'assenza di molecole di gas fa sì che l'arco formato tra i contatti si estingua quasi immediatamente, in genere entro il primo passaggio per lo zero di corrente dopo la separazione dei contatti. Rispetto agli interruttori automatici ad olio, ad aria compressa o SF6, gli interruttori VCB offrono un'estinzione dell'arco più rapida, una vita elettrica molto più lunga (comunemente 10.000 o più operazioni alla corrente nominale), requisiti di manutenzione minimi e nessun rischio di incendio o rilascio di gas tossici. Questi vantaggi li hanno resi la scelta dominante per i quadri di media tensione nell'intervallo da 3,6 kV a 40,5 kV, che coprono impianti industriali, sottostazioni di distribuzione dei servizi pubblici, edifici commerciali, operazioni minerarie e impianti di energia rinnovabile.

Nonostante la loro affidabilità, i VCB non sono un dispositivo adatto a tutti. La classe di tensione, la corrente nominale, il potere di interruzione in cortocircuito, il meccanismo di funzionamento e le caratteristiche specifiche del carico da proteggere influenzano tutti quale interruttore è corretto per una determinata applicazione. La scelta di un VCB sottodimensionato rispetto al livello di guasto, non adatto al tipo di carico o incompatibile con il pannello del quadro comprometterà sia la protezione che la durata dell'apparecchiatura. Questa guida illustra in termini pratici tutti i parametri critici di selezione.

Fase uno: confermare la tensione del sistema e la classe di tensione

Il primo e più fondamentale criterio di selezione è la tensione massima nominale dell'interruttore, che deve essere uguale o superiore alla tensione più alta che apparirà ai terminali dell'interruttore in qualsiasi condizione operativa, comprese le sovratensioni temporanee durante gli eventi di commutazione o guasto. I VCB sono prodotti nelle classi di tensione standard definite da IEC 62271-100 e ANSI/IEEE C37.04. Le classi comuni includono 7,2 kV, 12 kV, 17,5 kV, 24 kV e 40,5 kV per applicazioni a media tensione.

Non selezionare un interruttore tarato esattamente per la tensione nominale del sistema. Un sistema di distribuzione da 6,6 kV dovrebbe utilizzare un interruttore da 7,2 kV, mentre un sistema da 11 kV richiede un interruttore da 12 kV, poiché la tensione massima nominale tiene conto delle tolleranze della tensione del sistema e delle sovratensioni transitorie. Altrettanto importanti sono la tensione nominale di tenuta alla frequenza industriale e la tensione nominale di tenuta all'impulso di fulmine (BIL), che confermano che l'interruttore può sopravvivere alle sollecitazioni dielettriche imposte dai fulmini e dalle sovratensioni di commutazione sulla rete collegata.

Fase due: determinare la corrente normale nominale

La corrente normale nominale è la corrente continua che l'interruttore può trasportare indefinitamente senza superare i limiti di temperatura dei suoi contatti, conduttori e terminali. Questo valore deve essere adeguato alla corrente massima di carico continuo del circuito da proteggere, con un adeguato margine di sicurezza. Le correnti nominali standard per gli VCB di media tensione sono 630 A, 1250 A, 1600 A, 2000 A, 2500 A e 3150 A.

Nel calcolare la corrente nominale richiesta, tenere conto della corrente a pieno carico del motore o del trasformatore più grande da proteggere, più eventuali carichi aggiuntivi sullo stesso alimentatore. Per gli alimentatori del trasformatore, utilizzare la corrente a pieno carico del trasformatore alla tensione primaria, non solo i kVA riportati sulla targa. Per le partenze motore, includere il fattore di servizio e la potenziale crescita futura del carico. Selezionare un valore di corrente con un margine di almeno il 20–25% superiore alla corrente di carico massima calcolata è una buona pratica ed evita il fastidioso invecchiamento termico dei contatti dell'interruttore durante la sua durata di servizio.

Fase tre: abbinare il potere di interruzione di cortocircuito al livello di guasto

Il potere di interruzione in cortocircuito (chiamato anche corrente di interruzione di cortocircuito nominale o Isc) è probabilmente il parametro di sicurezza più critico nella scelta dell'VCB. Definisce la massima corrente di guasto potenziale che l'interruttore può interrompere in sicurezza senza danni all'interruttore o perdita di contenimento. Se il livello di guasto effettivo nel punto di installazione supera la capacità di interruzione nominale dell'interruttore, l'interruttore potrebbe non riuscire a interrompere il guasto, provocando un arco prolungato, l'esplosione dell'ampolla in vuoto e danni potenzialmente catastrofici al quadro e alle apparecchiature collegate.

La corrente di guasto presunta in qualsiasi punto della rete deve essere calcolata utilizzando uno studio di cortocircuito, tenendo conto dell'impedenza della sorgente dell'alimentazione di rete, dell'impedenza di tutti i trasformatori e dei cavi tra la sorgente e l'interruttore e il contributo di eventuali generatori locali o motori di grandi dimensioni. Le correnti di interruzione nominali comuni per gli VCB di media tensione sono 16 kA, 20 kA, 25 kA, 31,5 kA e 40 kA (RMS simmetrico). Selezionare sempre un interruttore la cui corrente di interruzione nominale supera la corrente di guasto potenziale calcolata nel punto di installazione, compresi futuri scenari di rinforzo della rete che potrebbero aumentare il livello di guasto.

Strettamente correlata è la corrente nominale di breve durata (Ik), che è la corrente di guasto che l'interruttore può sopportare per una durata specifica (tipicamente 1 o 3 secondi) senza danni. Questo parametro è rilevante per gli interruttori di sezione sbarra e accoppiatori sbarra che possono trasportare corrente di guasto mentre è in funzione la protezione a monte.

Fase quattro: comprendere il tipo di carico e il suo impatto sulla selezione

La natura del carico collegato al circuito influenza in modo significativo la scelta dell'VCB, poiché diversi tipi di carico impongono sollecitazioni diverse sull'ampolla in vuoto durante la commutazione.

Carichi del motore

La commutazione di motori a media tensione è una delle applicazioni VCB più impegnative. Al momento dell'eccitazione, il motore assorbe una corrente di spunto pari a 6-8 volte la sua corrente a pieno carico. In modo più critico, quando un motore in funzione viene spento, il collasso del campo magnetico genera un picco di tensione noto come sovratensione di chopping o transitorio di chopping della corrente virtuale. I VCB selezionati per il servizio di commutazione motori devono avere un basso livello di corrente di chopping, in genere inferiore a 5 A, per ridurre al minimo queste sovratensioni. Molti produttori offrono VCB specificatamente classificati per commutazioni frequenti di motori (Classe M2 secondo IEC 62271-100), con valori di resistenza di 10.000 o più operazioni a vuoto e 2.000 o più operazioni di commutazione a pieno carico. Gli scaricatori di sovratensione o i circuiti smorzatori RC vengono comunemente applicati anche sul lato carico degli VCB per la commutazione di motori come misura di protezione aggiuntiva da sovratensione.

Carichi del trasformatore e del banco di condensatori

L'eccitazione dei trasformatori genera correnti di spunto con un elevato offset CC che può raggiungere 8-12 volte la corrente nominale del trasformatore per diversi cicli. Il VCB deve essere in grado di sopportare questa corrente di spunto senza scatti indesiderati se la protezione da sovracorrente istantanea è impostata in modo troppo sensibile. La commutazione dei banchi di condensatori crea un problema diverso: lo spunto iniziale è un transitorio ad altissima frequenza che sollecita dielettricamente l'ampolla sotto vuoto. Per il servizio sui banchi di condensatori, selezionare un VCB con un valore nominale di commutazione dei condensatori back-to-back che specifichi sia la corrente di picco di spunto che la sua frequenza, confermando che l'interruttore può gestire l'interruzione senza riattivazione della corrente capacitiva.

Passo cinque: seleziona il meccanismo operativo giusto

Il meccanismo operativo immagazzina e rilascia l'energia necessaria per aprire e chiudere i contatti dell'interruttore con velocità e forza sufficienti per ottenere un'interruzione dell'arco e una pressione di contatto affidabili. I due tipi di meccanismi dominanti nei moderni VCB sono i meccanismi a molla e quelli con attuatore magnetico (magnete permanente).

• Meccanismi a molla immagazzinare energia in una molla meccanica caricata da un motore elettrico o manualmente. Sono robusti, collaudati in decenni di servizio e possono eseguire un'operazione di chiusura-apertura (CO) dalla molla carica anche dopo una perdita di alimentazione ausiliaria. Sono la scelta standard per la maggior parte delle applicazioni di pubblica utilità e industriali.
• Meccanismi di attuazione a magnete permanente (PMA). utilizzare la forza elettromagnetica proveniente da un impulso della bobina per aprire e chiudere i contatti, con il magnete permanente che mantiene i contatti in posizione senza alimentazione continua. I PMA hanno molte meno parti mobili rispetto ai meccanismi a molla, offrendo una resistenza meccanica molto elevata (fino a 50.000 operazioni), tempi di funzionamento estremamente rapidi e costanti e praticamente nessuna necessità di lubrificazione o regolazione. Sono la scelta preferita per applicazioni a ciclo elevato come la commutazione frequente del motore, il servizio di richiusura e l'automazione delle reti intelligenti.

La tensione di alimentazione ausiliaria per il meccanismo di comando (tipicamente 110 V CC, 220 V CC o 230 V CA) deve corrispondere all'alimentazione di controllo disponibile nel pannello del quadro. Verificatelo in fase di specifica per evitare costosi retrofitting.

Panoramica dei parametri di selezione dei tasti

La tabella seguente riassume i parametri di selezione primari e le domande a cui ciascuno risponde durante il processo di specifica:

Standard di conformità e compatibilità dei pannelli

Un VCB non funziona in modo isolato: è integrato in un pannello del quadro (interno o esterno, fisso o estraibile) che deve essere conforme alle norme pertinenti per il paese e il settore di installazione. L'interruttore deve essere dimensionalmente ed elettricamente compatibile con il relativo pannello, con la corrispondente geometria della connessione primaria, disposizione dei terminali secondari e dimensioni della scaffalatura o del carrello estraibile. La norma IEC 62271-100 è lo standard internazionale principale che disciplina le prove di tipo e le caratteristiche nominali degli interruttori automatici CA. Nel Nord America, le norme ANSI/IEEE C37.04, C37.06 e C37.09 regolano i valori nominali e i test per gli interruttori automatici ad alta tensione.

Richiedere sempre i certificati di prova di tipo al produttore che confermano che il modello specifico di interruttore è stato testato secondo lo standard applicabile presso un laboratorio indipendente accreditato. Verifica che la tensione di prova, la corrente e il potere di interruzione corrispondano o superino i requisiti dell'applicazione, non semplicemente che i valori nominali della targhetta corrispondano. Per progetti di infrastrutture critiche, di pubblica utilità o di esportazione, confermare che l'interruttore e il relativo pannello di comando siano dotati delle certificazioni richieste dalle specifiche dell'utente finale, come i rapporti di prova KEMA, CESI o CPRI. Un VCB scelto con rigorosa attenzione a questi parametri proteggerà la tua rete in modo affidabile per 25-30 anni con un intervento minimo.