Test online degli interruttori automatici

Autori: Nils Wäcklén, Technical Product Manager,

e Niclas Wettterstrand, Business Development Director - Protection

L'affidabilità degli interruttori automatici ad alta tensione è un problema critico per tutti gli operatori delle reti di alimentazione, poiché i guasti di questi dispositivi praticamente onnipresenti possono avere conseguenze non solo costose, ma in grado anche di causare interruzioni del servizio estremamente dannose. Come suggerisce il nome, la strategia RCM (Reliability-Centered Maintenance), ossia la manutenzione incentrata sull'affidabilità, è una strategia basilare per massimizzare l'affidabilità degli interruttori automatici. La sua implementazione tuttavia dipende dalla disponibilità di informazioni affidabili e aggiornate sulle condizioni dell'interruttore, poiché senza queste informazioni è impossibile decidere dove orientare le risorse e gli interventi di manutenzione.

In un mondo ideale, il modo migliore per raccogliere informazioni sulle condizioni di un interruttore automatico è quello di metterlo fuori servizio e sottoporlo a una serie completa di test. In realtà, la messa fuori servizio di un interruttore automatico per eseguire i test presenta quasi sempre alcune difficoltà, considerata l'esigenza pressante di far funzionare le apparecchiature e le risorse di manutenzione limitate.

Per questo motivo, sempre più operatori di rete stanno adottando procedure che prevedono l'esecuzione dei test mentre l'interruttore automatico rimane in servizio, un approccio che viene solitamente definito come "test online". A differenza dei test offline, questo tipo di test non fornisce molte informazioni, ma è rapido ed economico da eseguire e restituisce informazioni sufficienti per decidere se e quando programmare test e interventi di manutenzione più completi.

I test online possono essere implementati adottando due modalità principali. La prima è dotare in modo permanente ciascun interruttore automatico di strumenti che ne monitorino le prestazioni. Il vantaggio è avere dati sono sempre disponibili, mentre lo svantaggio sono i costi degli strumenti necessari per il monitoraggio completo che possono arrivare alla metà del costo dello stesso interruttore automatico. Considerando l'enorme numero di interruttori automatici in servizio, i costi elevati rendono questa opzione poco attraente se implementata su un intero parco interruttori, mentre potrebbe rilevarsi adatta a un numero di interruttori ridotto in applicazioni particolarmente critiche.

La seconda opzione consiste nell'utilizzare un'apparecchiatura di verifica portatile in grado di eseguire le misurazioni sugli interruttori automatici sotto tensione. In questo articolo parleremo in particolare di questa seconda opzione più economica, sebbene gran parte delle informazioni fornite sia ugualmente applicabile ai test con strumentazione installata in modo permanente. L'articolo esamina due aspetti importanti dei test online sugli interruttori automatici: test di primo sgancio e test tramite l'uscita del sistema di rilevamento della tensione (VDS), quindi offre una breve discussione su come il monitoraggio delle condizioni ottenuto tramite i test online contribuisca all'implementazione della tecnica RCM.

Test di primo sgancio

I test online sugli interruttori automatici in servizio, che non prevedono operazioni preliminari di sgancio, garantiscono un'interruzione minima del servizio, ma restituiscono poche informazioni. Al contrario, i test di primo sgancio possono costituire una valida alternativa. I test di primo sgancio prevedono il collegamento dell'apparecchiatura di verifica portatile all'interruttore automatico mentre è in servizio, l'attivazione dell'interruttore per consentire all'apparecchiatura di verifica di eseguire le misurazioni delle prestazioni e quindi la richiusura immediata dell'interruttore.

Questo tipo di test non solo riduce al minimo l'interruzione del servizio, ma fornisce anche informazioni preziose sulle prestazioni degli interruttori automatici che non sarebbe possibile ottenere in nessun altro modo, anche con test offline. Questo perché il test online è in grado di acquisire dati relativi al funzionamento dell'interruttore automatico dopo mesi o addirittura anni di inattività. È particolarmente utile per individuare i problemi di lubrificazione e corrosione che potrebbero essere stati trascurati da altri tipi di test e per misurare il tempo di sgancio "reale". Inoltre, il test di primo sgancio è rapido da configurare e la richiusura immediata dell'interruttore assicura una durata "fuori servizio" di solo poche centinaia di millisecondi.

Durante un test di primo sgancio, vengono registrate la corrente della bobina e la tensione d'esercizio e, attraverso questa operazione, vengono valutati i tempi di movimento dell'indotto, o stantuffo, e la resistenza della bobina. Ulteriori test possono includere la temporizzazione dei contatti principale e ausiliario e l'analisi della corsa del meccanismo di sgancio. Probabilmente la più importante, e certamente la più evidente delle misurazioni, è quella che riguarda la corrente della bobina; nella Figura 1 viene mostrata una tipica traccia della corrente della bobina.

Di seguito viene descritta la logica di funzionamento. Quando la bobina di sgancio viene eccitata (1), la corrente inizia a fluire tramite i suoi avvolgimenti. Inizialmente (1-2) la corrente aumenta fino a un valore proporzionale all'energia necessaria per spostare lo stantuffo dalla posizione di riposo. Lo stantuffo inizia a muoversi (2), aziona il dispositivo di sgancio e a sua volta il meccanismo di sgancio (3-4), completa la sua corsa (4-5) e si ferma (5). Durante il movimento dello stantuffo (2-5), la corrente della bobina diminuisce a causa della corrente opposta generata dallo spostamento dello stantuffo nel campo magnetico della bobina. La porzione della curva da 4 a 5 è particolarmente interessante, quando lo stantuffo si sposta dal punto in cui il meccanismo di sgancio viene aperto (4) fino al punto di arresto (5). Questa sezione della curva fornisce un'indicazione della velocità dello stantuffo: più ripida è la curva, più veloce sarà il movimento dello stantuffo. Dopo che lo stantuffo ha completato la corsa, la firma della corrente cambia. La velocità con cui la corrente aumenta dipende ora dall'induttanza della bobina e, infine, quando la corrente raggiunge un valore costante (7), la sua ampiezza è proporzionale alla resistenza CC della bobina. Nel punto (8), il contatto ausiliario si apre per diseccitare la bobina di sgancio, la corrente scende a zero (9) e lo stantuffo si ritrae nella posizione di riposo.

Il modo più utile per interpretare la traccia della corrente della bobina ottenuta durante un test di primo sgancio consiste nel confrontarla con una traccia di riferimento ottenuta quando l'interruttore automatico viene messo in servizio o è stato appena revisionato. Le figure da 3 a 7 mostrano problemi comuni che tali confronti possono rivelare. In ogni caso, la traccia di riferimento viene visualizzata in nero e la traccia di primo sgancio in rosso.

Nell'ambito di un test di primo sgancio, è importante monitorare la tensione e la corrente della bobina CC, poiché l'interruttore automatico può funzionare correttamente solo se alla bobina viene applicata una tensione corretta e stabile. Il monitoraggio della tensione della bobina mentre l'interruttore automatico è in funzione consente di eseguire un test rapido del sistema batteria, inclusi il cablaggio e i collegamenti tra le batterie e l'interruttore automatico.

Le informazioni più importanti associate a un test di primo sgancio possono essere riassunte nel modo seguente:

• Corrente di picco
  • varia in base alla resistenza della bobina e alla tensione di controllo
• Tensione di controllo
  • deve essere misurata per assicurare che le misurazioni dei tempi e della corrente della bobina siano comparabili
  • l'aumento della caduta di tensione indica un aumento della resistenza nell'avvolgimento della bobina
  • il tempo di reazione dello stantuffo dipende dalla tensione di controllo
• Resistenza della bobina
  • può essere calcolata a partire dalla tensione di controllo e dalla corrente di picco (se satura)
  • eventuali variazioni indicano spire in cortocircuito o altri danni alla bobina
• Tempo di avvio e di arresto dello stantuffo
  • un aumento dei tempi indica un aumento della resistenza
  • meccanica allo spostarsi dello stantuffo
• Corrente di avvio del movimento dello stantuffo
  • l'aumento di corrente indica una maggiore resistenza meccanica
  • la corrente di avvio fornisce un'indicazione di una tensione operativa/di ripresa della bobina minima

I test di primo sgancio possono essere generalmente eseguiti su tutti gli interruttori automatici utilizzando collegamenti di prova online, che non richiedono la diseccitazione o l'isolamento dell'interruttore automatico. I collegamenti necessari per eseguire i test di primo sgancio sono semplici e, nella maggior parte dei casi, possono essere eseguiti in un breve periodo di tempo, generalmente non più di dieci minuti. La Figura 8 mostra i collegamenti tipici. Si noti che i collegamenti di temporizzazione del contatto principale (non mostrati nella Figura 8) possono essere facilmente aggiunti mediante pinze amperometriche utilizzate insieme al cablaggio secondario del trasformatore di corrente o tramite terminali VDS.

Le misurazioni di temporizzazione convenzionali sono test offline e, pertanto, vengono eseguite solo su interruttori automatici isolati. Per necessità quindi, i comandi di commutazione di questi test vengono emessi dal dispositivo di prova. Tuttavia, quando si eseguono misurazioni online, i comandi provengono dal sistema di controllo in loco o dalla sala di controllo, pertanto l'analizzatore degli interruttori automatici viene impostato in modo da funzionare come dispositivo di registrazione passivo che agisce su questi segnali di attivazione anziché emettere i comandi di commutazione. I segnali di attivazione devono essere collegati all'ingresso di attivazione dell'analizzatore e, quando l'analizzatore è attivato, la registrazione viene avviata quando compare un segnale di attivazione.

Test abilitati per il sistema di rilevamento della tensione (VDS)
Nel caso di interruttori automatici in sistemi a media tensione (MV) chiusi, i collegamenti per test online sono l'unico modo in cui sia possibile eseguire la temporizzazione del contatto principale. La temporizzazione del contatto principale offline (tradizionale) non è possibile su questi interruttori automatici poiché non è possibile accedere ai circuiti primari. Anche se i test di temporizzazione del contatto principale online possono, ovviamente, essere eseguiti su questi interruttori automatici utilizzando pinze amperometriche sul cablaggio secondario del trasformatore di corrente, Syna e Westnetz, lavorando in collaborazione con Megger, hanno sviluppato un'alternativa più semplice e sicura che utilizza il sistema di rilevamento della tensione (VDS), generalmente presente su questo tipo di interruttori. Il sistema di rilevamento della tensione VDS è un sistema capacitivo, in conformità alla norma IEC 61243-5, e parte integrante dell'apparecchiatura di manovra in cui viene utilizzato; fornisce un'indicazione affidabile, sicura e reattiva dell'eventuale presenza di un circuito sotto tensione.

Quando si eseguono i test con l'apparecchiatura di manovra dotata di VDS, i collegamenti vengono effettuati al punto di misurazione VDS, e possono essere eseguiti mentre l'apparecchiatura rimane in servizio. I test che utilizzano collegamenti VDS possono essere eseguiti con strumenti standard come i modelli TM1700 o TM1800 di Megger; l'unico requisito aggiuntivo è una scatola adattatore VDS economica (Figura 9) per la misurazione della temporizzazione del contatto principale.

Come per le misurazioni di primo sgancio eseguite con collegamenti di prova convenzionali, in un test di primo sgancio abilitato VDS è necessario un segnale di attivazione esterno per inizializzare la misurazione e misurare la corrente e la tensione della bobina. Questi collegamenti vengono eseguiti come illustrato nella Figura 8. Anche se non è il caso degli interruttori automatici in sistemi MV chiusi, anche quando è possibile accedere in modo sicuro ai componenti ad alta tensione dell'interruttore, nel caso sia disponibile anche un collegamento VDS, è più sicuro, veloce e pratico utilizzare i collegamenti di prova VDS per testare e sincronizzare la temporizzazione dell'interruttore.

Un vantaggio dei test abilitati per VDS è che la temporizzazione del contatto principale è inclusa con il minimo sforzo. Al contrario, e come menzionato in precedenza, con i collegamenti per i test di primo sgancio convenzionali, la temporizzazione del contatto principale (se desiderata) richiede un'ulteriore fase di misurazione della corrente negli avvolgimenti secondari del trasformatore di corrente per mezzo di pinze amperometriche.

Tra gli svantaggi possiamo menzionare:

• La corrente deve scorrere tramite l'interruttore automatico poiché deve essere presente un carico per poter ricevere un segnale sul trasformatore di corrente. Questa condizione non è ottimale sia per motivi di sicurezza sia perché probabilmente causerà lo scollegamento di un dispositivo di consumo durante l'operazione. Anche in caso di richiusura con ritardo minimo, si verificherà sempre una breve interruzione. Naturalmente, questo problema può essere risolto se la configurazione della sottostazione consente di posizionare l'interruttore in parallelo con un altro.
• Sono necessarie tre altre pinze amperometriche, e ciò ha un costo elevato.
• È necessario più lavoro per individuare il cablaggio secondario del trasformatore di corrente e collegare le pinze amperometriche. I cavi sono probabilmente situati dietro la piastra anteriore dell'interruttore automatico e non sono facili da trovare. Tuttavia, si noti che in ogni caso sarà necessario aprire l'armadio e consultare lo schema elettrico per collegare la pinza amperometrica e misurare la corrente della bobina, il segnale di attivazione e il segnale di tensione.

Con un test di primo sgancio abilitato per VDS, la temporizzazione viene misurata tramite l'interfaccia VDS anziché i trasformatori di corrente. Ciò significa:

• La temporizzazione del contatto principale è un vantaggio, e richiede solo il collegamento all'interfaccia del connettore a banana sul pannello anteriore dell'interruttore automatico. Ad eccezione della misurazione della corrente della bobina, non sono necessarie pinze amperometriche.
• Soprattutto, l'interruttore automatico non deve trasportare alcun carico, ovvero le misurazioni funzionano con o senza carico, ma sono ovviamente più sicure da eseguire senza carico. A condizione che il test venga eseguito in assenza di carico, la durata d'arco viene ridotta al minimo, in modo da ottenere una temporizzazione più precisa rispetto alla misurazione della corrente del trasformatore di corrente, che include la durata d'arco. Questo può arrivare fino a metà del periodo nello scenario più sfavorevole.
• Non è più necessario avere tre ingressi analogici aggiuntivi, in quanto la tensione VDS viene misurata dai canali di temporizzazione dell'analizzatore.

I metodi di valutazione sono gli stessi per entrambi, con la lieve differenza che in un caso si analizza una corrente CA e, nell'altro caso, una tensione CA. Gli interruttori automatici isolati in aria, spesso dotati di VDS, offrono la possibilità di eseguire misurazioni online utilizzando collegamenti VDS o collegamenti di prova convenzionali offline. Questi interruttori automatici permettono di effettuare un confronto tra i risultati dei test ottenuti con entrambi i metodi. È stato quindi dimostrato che i risultati acquisiti con i collegamenti VDS sono in linea con le normali tolleranze previste quando si eseguono test comparabili utilizzando collegamenti convenzionali. I risultati ottenuti dai test VDS hanno un aspetto leggermente diverso da quelli ottenuti con i test convenzionali, come si può osservare nelle Figure 10 e 11, ma come dimostrano anche queste figure, l'interpretazione dei risultati non presenta problemi.

Tecnica RCM (Reliability Centered Maintenance)

Non sono tutti d'accordo con quanto affermato all'inizio di questo articolo, ossia che i guasti degli interruttori automatici sono costosi e causano interruzioni del servizio dannose e che basterebbe una manutenzione efficace per ridurre al minimo il rischio di guasti. Anche le modalità da adottare per implementare tale manutenzione non trovano tutti d'accordo. L'opzione meno proattiva è non eseguire alcuna manutenzione, limitandosi semplicemente a correggere i guasti non appena si verificano. Nell'ambiente operativo odierno questo approccio è raramente, se mai, accettabile.

Una qualche forma di manutenzione preventiva è quasi sempre adottata, ma esistono molte varianti. Un esempio tradizionale è la manutenzione preventiva basata sul tempo, che prevede interventi di manutenzione a intervalli fissi. Gli svantaggi di questo approccio sono fin troppo chiari: alcuni interruttori vengono sottoposti alla manutenzione anche se non ce ne sarebbe bisogno, mentre altri sviluppano problemi prima dell'intervento stabilito. Secondo gli standard odierni, la manutenzione basata sul tempo non è efficiente né inefficace.

Un'opzione di gran lunga migliore è la manutenzione basata sulle condizioni, in cui le condizioni degli interruttori automatici vengono valutate regolarmente e la manutenzione viene eseguita quando, e solo quando, tale valutazione ne dimostra la necessità. Un'estensione di questo concetto è la manutenzione RCM, incentrata sull'affidabilità, che adotta le stesse idee e tecniche del monitoraggio basato sulle condizioni, ma prende in considerazione anche il ruolo svolto da ciascun interruttore automatico nella rete. Essenzialmente, gli interruttori automatici che svolgono un ruolo importante saranno valutati diversamente rispetto a quelli che hanno un ruolo meno importante.

Attualmente gli operatori di rete hanno una forte tendenza ad adottare la manutenzione RCM, ma, nell'attuale contesto competitivo, occorre considerare anche la necessità di ridurre al minimo i costi. I test online degli interruttori automatici, come descritto in questo articolo, svolgono un ruolo fondamentale a riguardo e rappresentano un modo particolarmente economico ed efficace per rilevare i guasti nel meccanismo di funzionamento che, secondo i sondaggi CIGRE condotti a livello internazionale sull'affidabilità degli interruttori automatici, rappresentano il 70% dei problemi degli interruttori automatici.

I test online forniscono un metodo affidabile per valutare le condizioni e le prestazioni dell'interruttore automatico, senza i costi e gli svantaggi associati alla messa fuori servizio dell'interruttore. Ciò consente agli operatori di rete di ottenere una panoramica rapida ma accurata delle condizioni dell'intero parco di interruttori automatici.

Il test di primo sgancio è particolarmente utile in quanto fornisce le informazioni complete necessarie per supportare le strategie RCM con un'interruzione minima del servizio e tempi molto brevi. Inoltre, le informazioni si riferiscono direttamente alle condizioni reali: mostrano il funzionamento dell'interruttore dopo un lungo periodo di inattività. Infine, la tecnica VDS sta rendendo i test online più sicuri e ne consente l'implementazione in molte applicazioni in cui in precedenza non era possibile. In sintesi, la tecnica RCM, supportata dai test online, è probabilmente il modo più affidabile e conveniente per proteggersi dai guasti degli interruttori automatici, con il loro potenziale di costi ingenti e conseguenze disastrose.