Test degli interruttori automatici ad alta tensione rapido e sicuro con la tecnologia DCM Dualground™

Autori:

• Mohammad Tariq – Technical director, Megger ME,
• Nils Wäcklén - Product manager, Megger Sweden AB,
• Niclas Wetterstrand – Program manager, Megger Sweden AB

Sicurezza del personale delle sottostazioni

Fin dall'inizio dell'esecuzione di test degli interruttori automatici, la sicurezza del personale ha rappresentato la massima priorità. Il modo migliore per incrementare la sicurezza è senza dubbio aumentare la distanza tra il personale e i dispositivi ad alta tensione.

Anche quando un oggetto è stato messo fuori servizio, è possibile che mantenga uno stato di pericolo o diventi pericoloso attraverso l'eccitazione da alta tensione in tre casi. Il primo caso è quando si verifica un guasto e il potenziale elettrico indesiderato raggiunge l'oggetto. Il secondo caso si verifica a seguito di un fulmine e dell'effetto sulle linee di alimentazione correlate all'oggetto. Il terzo e più comune è l'accoppiamento capacitivo da un conduttore sotto tensione vicino che produce una tensione pericolosa sull'oggetto. Queste tensioni possono causare una corrente di almeno 20 mA o anche più attraverso un corpo umano e, secondo la norma IEC® EN 61010, correnti superiori a 3,5 mA rappresentano un pericolo.

L'unico modo per rendere sicuro un oggetto per tutti i casi menzionati è collegarlo a terra in tutti i punti conduttivi, che altrimenti sarebbero liberi, e anche dove è a contatto con il sistema circostante. In questo modo si crea una zona sicura e qualsiasi corrente dovuta alla tensione sull'oggetto porterà il percorso più breve a terra attraverso il cavo di messa a terra, che è tipicamente un conduttore da 120 mm2. Un oggetto collegato a terra in questo modo non può diventare pericoloso.

Le normative e le leggi richiedono che tutti gli oggetti siano collegati a terra su entrambi i lati prima di eseguire qualsiasi intervento di manutenzione su di essi. Esistono, tuttavia, eccezioni approvate, in quanto non è possibile eseguire tutti i tipi di interventi di manutenzione con entrambi i lati collegati a terra. Ad esempio, la temporizzazione dei contatti principali degli interruttori automatici viene solitamente eseguita con un solo lato collegato a terra (Fig. 1).

Un altro aspetto importante dell'apparecchiatura per test delle sottostazioni in merito alla sicurezza è l'interfaccia utente. Il funzionamento dell'apparecchiatura deve essere chiaro, rapido e semplice. I tecnici sul campo devono dedicare tempo ed energia al lavoro in corso, non a capire come funziona l'apparecchiatura. Questo aspetto è difficile da quantificare e non rientra negli standard e nelle normative.

Metodo tradizionale di temporizzazione

L'approccio tradizionale alla temporizzazione dei contatti principali negli interruttori automatici è quello di utilizzare la legge di Ohm con una tensione di test CC sull'interruttore automatico per distinguere il momento in cui lo stato dell'interruttore passa da aperto a chiuso. Questo metodo non si basa su uno standard e, pertanto, non esiste alcun punto di riferimento assoluto. Tuttavia, al momento, questa è la tecnica più utilizzata.

Nel caso in cui entrambi i lati dell'interruttore automatico sono collegati a terra, questo metodo non funziona. Poiché il contatto dell'interruttore automatico entra in corto tramite il loop di massa, la corrente di test CC fluisce continuamente indipendentemente dallo stato del contatto; quindi, questo metodo indica che l'interruttore è costantemente chiuso.

Un modo per superare questo inconveniente per la sicurezza è stato adottato dall'EDF, l'azienda elettrica a controllo statale in Francia, che utilizza un dispositivo di messa a terra automatico. Un sensore di tensione chiude automaticamente un collegamento a terra se è presente un potenziale di tensione tra l'oggetto e la terra. Questo dispositivo viene utilizzato su un lato mentre l'altro è collegato a terra con un cavo. Con questa tecnica, tuttavia, il test di temporizzazione è più complicato, richiede più tempo e il dispositivo di messa a terra stesso introduce un'altra risorsa che potrebbe non funzionare e quindi deve essere manutenuta.

Entrambi i lati collegati a terra, metodo di temporizzazione DRM

Il metodo di temporizzazione DRM è stato inventato nel 1993 da Programma Electric, che ora fa parte di Megger. È stata la prima soluzione per la misurazione della temporizzazione degli interruttori automatici con entrambi i lati collegati a terra (Fig. 2). Il funzionamento di questo metodo prevede l'iniezione di una corrente elevata di circa 100 A durante l'apertura o la chiusura dell'interruttore automatico, monitorando la tensione e registrando il grafico della resistenza dinamica. Questo metodo è stato sviluppato principalmente per gli interruttori ad alta tensione per esterni. Poiché la resistenza di contatto dell'interruttore è inferiore al loop di massa, quando l'interruttore automatico si apre o si chiude il grafico della resistenza varia e, in questo modo, è possibile determinare l'istante della chiusura e dell'apertura.

Per dare un'idea, l'intervallo di resistenza del loop di terra è generalmente di circa un paio di milliohm, mentre la resistenza di contatto dell'interruttore quando è chiuso saldamente è di circa 50 microohm. Ciò significa che, durante un funzionamento ad interruttore aperto, il livello di resistenza aumenta da circa 50 microohm a 2 o 3 milliohm. Questa grande variazione può essere utilizzata per determinare il tempo di chiusura e di apertura mentre il loop di terra è in funzione. Questo metodo fornisce un modo sicuro per testare gli interruttori ad alta tensione per esterni SF6. Tuttavia, presenta delle limitazioni.

La prima difficoltà consiste nel fatto che, poiché questo metodo utilizza corrente elevata, richiede cavi spessi che rendono lo strumento pesante per il trasporto. Per un interruttore a due interruzioni per fase, sono necessari non meno di nove cavi da 100 A.

In secondo luogo, in molti casi, la resistenza del loop di terra è di circa 2-3 milliohm, paragonabile alla resistenza di contatto d'arco dell'interruttore. Durante le operazioni di apertura o chiusura, la differenza tra il contatto d'arco e il contatto principale da chiudere o aprire è compresa tra 2 e 7 millisecondi. Poiché la resistenza di contatto d'arco e la resistenza del loop di terra negli interruttori SF6 per esterni sono paragonabili, le soglie sono difficili da determinare con precisione e il risultato della temporizzazione potrebbe non corrispondere di 2-7 millisecondi se viene rilevato l'istante di funzionamento del contatto principale al posto dell'istante di funzionamento del contatto d'arco. Secondo gli standard IEC e IEEE, il primo contatto del contatto d'arco è da considerare come il momento di chiusura e l'ultima separazione del contatto d'arco è da considerare come il momento di apertura.

Tuttavia, in base a IEC62271-100, il limite massimo di sincronizzazione interfase è di 1/8 cicli, che va da 2,1 a 2,5 millisecondi massimo, a seconda che si tratti di un sistema a 50 Hz o 60 Hz. Un errore di 2-7 millisecondi non è quindi accettabile. La Fig. 3 e la Fig. 4 mostrano la resistenza d'arco rispetto alla resistenza di contatto principale. La Fig. 5 mostra l'interno del contatto d'arco rispetto al contatto principale dell'interruttore automatico.

In alcuni modelli di interruttori automatici, un resistore di pre-inserimento (PIR, pre-Insertion) o post-inserimento (interruzione) è collegato in parallelo al contatto principale. I PIR hanno i propri interruttori e vengono commutati in pochi millisecondi prima o dopo la chiusura o l'apertura del contatto principale, rispettivamente. Queste resistenze sono mostrate nella Fig. 6 e nella Fig. 7. La diagnosi di un interruttore automatico con PIR include la misurazione della temporizzazione del contatto PIR. Questo presenta una terza difficoltà con il metodo DRM. Con i valori del resistore PIR e del resistore post-inserimento che variano da centinaia di ohm fino a diversi kiloohm, l'oscillazione della resistenza con la linea di messa a terra parallela di alcuni milliohm sarà appena evidente. Facendo un esempio in cifre, con un loop di terra di 2 milliohm e un PIR di 200 ohm, le due resistenze in parallelo avrebbero un valore totale di 1,99998 milliohm. Il PIR aperto o chiuso può fare la differenza di un 1/1000%, che non è misurabile con le apparecchiature sul campo.

La quarta e più grande sfida consiste nell'utilizzo del metodo DRM su un interruttore in GIS. A differenza di un interruttore SF6 per esterni, un interruttore in GIS ha una resistenza molto bassa nel loop di terra, fino a circa 75 microohm, che è circa lo stesso livello di resistenza del contatto principale e solo una frazione della resistenza del contatto d'arco. Ciò rende impossibile determinare il livello di apertura e chiusura utilizzando il metodo DRM (Fig. 8). Pertanto, per gli interruttori in GIS è necessario aprire un lato di terra, attività che presenta l'ulteriore sfida impegnativa di trovare punti di collegamento ed espone anche i tecnici dei test a rischi di lesioni personali.

Il metodo DRM è stato senza dubbio un buon inizio per risparmiare tempo e migliorare la sicurezza in alcuni casi, ma presenta diverse limitazioni. Per risolvere questo problema, nel 2007 è stato sviluppato e brevettato da Megger il metodo DCM e, nel 2017, ne verrà rilasciata una terza generazione migliorata.

DCM di terza generazione per temporizzazioni DualGround™

Le prime generazioni di DCM sfruttavano il fatto che è presente una variazione nella capacità quando un interruttore automatico è in posizione chiusa rispetto a quella aperta. La terza generazione di DCM modifica leggermente questo metodo in modo che venga analizzata non solo la capacità ma anche l'impedenza totale, utilizzando un segnale ad alta frequenza.

Quando un interruttore automatico passa dalla posizione chiusa a quella aperta, cambia le sue proprietà e diventa da quasi interamente resistivo a quasi interamente capacitivo. In una situazione di test con entrambi i lati dell'interruttore automatico collegati a terra, il circuito presenta componenti resistivi e induttivi attraverso il loop di terra, anche se l'interruttore è aperto; vedere il circuito equivalente nella Fig. 6.

Il circuito potrebbe anche contenere contatti del resistore di pre-inserimento (PIR) (vedere Fig. 6 e Fig. 7), che influenzeranno anche l'impedenza totale nel circuito del test, ma in modo meno significativo del contatto principale.

Il vantaggio delle nuove tecniche DCM che analizzano la variazione totale dell'impedenza anziché solo la capacità o la variazione resistiva è che è possibile rilevare sia il contatto principale che il contatto PIR con entrambi i lati dell'interruttore automatico collegati a terra.

Il collegamento a terra ha un'influenza molto limitata sul circuito risonante per i segnali ad alta frequenza, poiché l'impedenza nei cavi di terra è relativamente elevata. In situazioni speciali, come le applicazioni che coinvolgono la GIS, il collegamento a terra richiede un aumento della reattanza induttiva sul collegamento a terra. Ciò si ottiene posizionando un manicotto in ferrite attorno al connettore di terra. Il manicotto in ferrite è costituito da due semicilindri facili da collegare intorno a un cavo o una forma a U facile da fissare intorno a una barra.

Principio di misurazione

Il circuito del test è sintonizzato con l'interruttore nella posizione chiusa e aperta. Durante la sintonizzazione, il livello di impedenza del circuito del test viene misurato con un segnale ad alta frequenza. La frequenza viene scansionata per trovare la frequenza ottimale per massimizzare l'intervallo di misurazione e impostare automaticamente i livelli di soglia.

Dopo aver eseguito questa procedura di sintonizzazione, il sistema di test rileva automaticamente se il contatto principale e il contatto PIR sono aperti o chiusi.

Il risultato viene interpretato come una temporizzazione tradizionale e tutti i risultati sono conformi agli standard IEC e IEEE/ANSI pertinenti.

Test degli interruttori automatici in GIS con DCM DualGround™

Il principale vantaggio degli interruttori in GIS è la riduzione dello spazio richiesto rispetto alle sottostazioni isolate in aria. Inoltre, l'intervallo di manutenzione e di test per gli interruttori automatici installati in GIS è più lungo rispetto alle installazioni con isolamento in aria. La tecnologia GIS è stata installata dagli anni '80 e gran parte di essa presenta un invecchiamento tale da richiedere una manutenzione.

Lo strumento diagnostico più importante per gli interruttori automatici in GIS è la temporizzazione dei contatti principali descritta in precedenza. La temporizzazione tradizionale richiede che la messa a terra venga rimossa da almeno un lato dell'interruttore automatico. Un interruttore di messa a terra isolato è dotato di una funzione incorporata che consente l'accesso al circuito primario senza messa a terra. Un interruttore di messa a terra isolato è quindi necessario su almeno un lato per una temporizzazione tradizionale senza dover smontare completamente la GIS.

Questa funzione consente di testare la temporizzazione dell'interruttore automatico utilizzando il normale metodo di messa a terra singola, ma è necessario rimuovere il ponticello dell'interruttore di messa a terra che, come spiegato in precedenza, espone il personale addetto ai test a rischi di sicurezza elevati. Di fatto, sono state riportate tensioni accoppiate capacitive fino a 4 kV, valore estremamente pericoloso.

Le installazioni di GIS più vecchie raramente dispongono di interruttori di messa a terra isolati. Il loro utilizzo è aumentato nel corso dei decenni, ma è ancora comune trovare nuove installazioni senza di essi. In questi casi, lo smantellamento necessario per la temporizzazione tradizionale è dispendiosa in termini di tempo e denaro. Inoltre, se i bulloni non vengono estratti correttamente, ci sarà una perdita di SF6.

Il metodo DCM Dual Ground è, in condizioni specifiche, in grado di eseguire misurazioni di temporizzazione su un interruttore automatico in GIS anche quando non è disponibile un interruttore di messa a terra isolato, mentre tutti gli altri metodi, incluso il DRM, non riescono a misurare la temporizzazione con entrambi i lati dell'interruttore collegati a terra.

Queste condizioni includono, ad esempio, un punto di accesso al circuito primario all'esterno della parte isolata in gas, ad esempio un isolatore passante collegato a una linea all'aria aperta.

Interruttori automatici del generatore

La presa di corrente di una turbina in una centrale elettrica ha una capacità di corrente elevata; la corrente di cortocircuito può essere di circa 900 kA a 11 - 33 kV. La corrente elevata richiede conduttori molto spessi per evitare il surriscaldamento. Le barre di distribuzione e i giunti sono enormi, con centinaia di viti che devono essere serrate a una coppia precisa (Fig. 9).

Lo scollegamento della barra di distribuzione richiede più di un giorno. Se anche una sola vite viene serrata alla coppia sbagliata, si verificherà un aumento della resistenza e del riscaldamento. Se il riscaldamento raggiunge un punto critico, la centrale elettrica deve essere spenta per poter serrare correttamente il bullone allentato. Sapendo questo, è facile comprendere perché i proprietari di centrali elettriche sono riluttanti a consentire lo scollegamento delle barre di distribuzione imbullonate per le misurazioni della temporizzazione.

Tutti gli interventi di manutenzione nelle centrali elettriche sono programmati in base agli eventi di revisione pianificati. A questo punto, tutto il personale deve lavorare sulla turbina e sulla linea di alimentazione. La sicurezza richiede che gli interruttori automatici del generatore siano collegati a terra su entrambi i lati durante questi eventi di manutenzione pianificati.

La temporizzazione dei contatti principali con metodi tradizionali utilizzando una tensione CC è ora possibile solo se una barra di distribuzione è scollegata. Tuttavia, il metodo DCM consente la temporizzazione con entrambi i lati collegati a terra. Il dispendio di tempo per scollegare la barra di distribuzione viene eliminato, insieme al rischio di bulloni allentati che causano un surriscaldamento resistivo.

Resistore di pre-inserimento (PIR)

Con un PIR nell'interruttore automatico mentre è attivo, l'impedenza del circuito del test viene modificata. Con la terza generazione di DCM è possibile rilevare il livello di impedenza PIR e quindi presentare la temporizzazione PIR contemporaneamente alla misurazione della temporizzazione del contatto principale. Si tratta di un enorme vantaggio poiché i PIR vengono utilizzati più di frequente a livelli di tensione elevati in cui la probabilità di correnti indotte pericolose è alta. La tecnica DCM consente la misurazione dei contatti PIR, attività impossibile tramite la tecnica DRM Dual Ground.

Conclusione

Sono stati illustrati la maggiore sicurezza e il principio dei diversi metodi di misurazione della temporizzazione su un interruttore automatico con entrambi i lati collegati a terra, ed è stata spiegata la superiorità del metodo DCM DualGround™. Inoltre, sono stati presentati i vantaggi e le caratteristiche del DCM che consentono di risparmiare tempo. Alcuni esempi includono interruttori automatici del generatore, interruttori automatici in GIS ed interruttori automatici con PIR. Il metodo DCM DualGround™ consente di risparmiare fino a un giorno lavorativo, riducendo i tempi di arresto e messa in servizio. Questo vale in tutti i casi in cui il sistema di terra non può essere rimosso o non è accessibile.