Test CC dell'integrità del vuoto nei quadri elettrici a media tensione (MV)

Autore: Niclas Wetterstrand 

Sin dagli anni '50, il vuoto è stato utilizzato come mezzo isolante nei quadri elettrici. La tecnologia si è dimostrata molto affidabile; tuttavia, nel tempo, l'aria può inevitabilmente infiltrarsi negli interruttori a vuoto, compromettendo l'isolamento. È quindi essenziale controllare periodicamente l'integrità del vuoto. È inoltre buona prassi eseguire controlli dopo il trasporto degli interruttori o se vi è il rischio che siano stati accidentalmente danneggiati. 

Il metodo comunemente accettato per testare l'integrità del vuoto è sempre stato quello di eseguire una prova di tenuta a tensione. Sul campo, i test CC sono spesso preferibili perché gli strumenti sono più piccoli e più leggeri di quelli necessari per i test CA. Questo articolo approfondisce i test CC, confrontandoli con i test CA, e offre consigli pratici sull'esecuzione dei test CC.

Test di integrità del vuoto

Lo scopo di un test di integrità del vuoto è confermare che la pressione in un interruttore a vuoto sia sufficientemente bassa da consentire all'interruttore di eseguire in modo affidabile le funzioni di commutazione e isolamento. Il livello di vuoto è controllato dal produttore prima che l'interruttore venga inviato al costruttore dell'interruttore automatico ma, per le ragioni già menzionate, sono necessari ulteriori test sul campo durante l'intero ciclo di vita dell'unità.

Sfortunatamente, la misurazione diretta della pressione all'interno di un interruttore a vuoto è un'attività molto difficile che richiede apparecchiature specializzate e, anche in questo caso, le misurazioni possono essere eseguite con precisione solo su un interruttore a vuoto isolato, e non quando è installato in un interruttore automatico. Si consiglia pertanto di utilizzare una prova di tenuta a tensione per verificare che la pressione del vuoto rientri ancora nei limiti accettabili.

La Figura 1, che mostra la relazione tra la tenuta a tensione di un serbatoio del vuoto e la pressione dell'aria al suo interno (curva di Paschen), conferma la validità di questo approccio, poiché è evidente che, quando la pressione nel serbatoio aumenta, la tensione di tenuta diminuisce significativamente. Nell'interpretare questa figura, è importante notare che le scale sono logaritmiche, quindi la variazione è ancora più significativa di quanto possa apparire a prima vista.

Figura 1: variazione della tensione disruttiva in funzione della pressione dell'aria (curva di Paschen) 

Gli standard internazionali si riferiscono generalmente alle prove di tenuta a tensione CA, poiché sono considerati l'opzione più affidabile. Tuttavia, il test CA degli interruttori a vuoto richiede un'apparecchiatura di verifica con un'elevata capacità di corrente a causa della capacità dell'interruttore automatico. Un tester ad alta tensione CA deve essere in grado di erogare fino a circa 10 mA per interruttore, un requisito che rende questo tipo di strumenti ingombranti, pesanti e poco pratici per i test sul campo.

CA e CC a confronto

Quando viene utilizzata la corrente CA, la maggior parte della corrente di uscita dell'apparecchiatura di verifica alimenta la capacità intrinseca dell'elemento sottoposto a test e dei cavi di collegamento. Poiché la capacità deve essere caricata a ogni metà ciclo della tensione, la corrente capacitiva è relativamente elevata. Un componente molto più piccolo della corrente è la corrente di dispersione, che attraversa l'isolamento dell'elemento sottoposto a test, la sua superficie e l'isolamento dei cavi di collegamento. 

Quando si utilizza un'apparecchiatura di verifica CC, è sufficiente che fornisca questa componente della corrente molto più piccola; lo strumento può quindi essere molto leggero e portatile, ideale per l'uso sul campo. Per questo motivo, molte persone scelgono la corrente continua (CC) per testare l'isolamento delle apparecchiature di alimentazione e per verificare l'integrità del vuoto negli interruttori a vuoto.

Non tutta la corrente continua è uguale!

La corrente CC può essere prodotta semplicemente rettificando la corrente CA a semionda, ma questo approccio non è adatto per gli strumenti che devono essere utilizzati per testare l'integrità del vuoto. Il motivo è che un'alimentazione di rete rettificata a semionda produce spesso tensioni di picco molto superiori rispetto alla tensione RMS indicata dall'apparecchiatura di verifica. Ciò potrebbe significare che la tensione applicata all'interruttore a vuoto durante il test è significativamente superiore alla tensione per la quale l'interruttore è qualificato, con due conseguenze spiacevoli.

La prima e più importante di queste è che il livello di emissione dei raggi X potrebbe essere molto più elevato rispetto a quanto accadrebbe alla corretta tensione di prova. La seconda è che la corrente di dispersione potrebbe essere così elevata che il tecnico che esegue il test potrebbe concludere erroneamente che l'interruttore ha perso il vuoto, mentre in realtà non è così. Per questi motivi, le apparecchiature di verifica CC ad alta tensione che utilizzano la rettifica a semionda non devono essere utilizzate per testare gli interruttori a vuoto. Al contrario, dovrebbero essere utilizzate apparecchiature di verifica che derivano la corrente CC da un'alimentazione di rete a commutazione con una bassa corrente di ripple in uscita.

Esposizione ai raggi X 

Quando viene applicata una tensione di prova CA o CC elevata (superiore a 35 kV) a un interruttore a vuoto con i contatti principali aperti, è possibile che vengano generati raggi X. L'intensità dei raggi X diminuisce rapidamente con l'aumentare della distanza dalla sorgente, diventando quasi indistinguibile dal livello di fondo a una distanza di circa 3 m. Pertanto, durante tutti i test ad alta tensione, il personale deve rimanere ad almeno 3 m di distanza dall'interruttore a vuoto sottoposto a test per ridurre al minimo il rischio di esposizione ai raggi X. 

Gli interruttori a vuoto prodotti in conformità agli standard IEC e ANSI applicabili non producono raggi X alla tensione e alla frequenza nominali operative. Per garantire che l'uso dello strumento VIDAR di Megger, un'apparecchiatura progettata specificamente per testare l'integrità del vuoto, non produca livelli di radiazione pericolosi, è stata effettuata una valutazione dal National Institute of Radiation Protection di Stoccolma utilizzando un interruttore automatico a vuoto Siemens N 677. Questa valutazione ha confermato che è sicuro utilizzare lo strumento VIDAR insieme agli interruttori a vuoto anche quando si lavora a distanze ravvicinate. 

Tensione di prova 

Per gli interruttori automatici che sono stati in servizio, gli standard consigliano di utilizzare una tensione di prova compresa tra il 75% e l'80% di quella utilizzata in fabbrica su un interruttore nuovo. Questa tensione ridotta fornisce un margine per un normale deterioramento, per contaminazioni di entità minore e per i picchi di tensione tipici riscontrati durante il funzionamento. Poiché la corrente CA viene utilizzata per i test in fabbrica, la tensione CC applicata per un test equivalente deve essere pari al valore di picco della tensione di prova CA, ovvero 1,414 volte la tensione RMS del test CA. La tensione CC deve essere applicata per un periodo compreso tra 5 e 60 secondi. 

Test GO/NO-GO o misurazione della corrente? 

Alcune apparecchiature di verifica, come lo strumento VIDAR di Megger, hanno una spia GO/NO-GO per segnalare quando l'interruttore ha un livello di vuoto accettabile. La spia diventa NO-GO se la corrente di dispersione alla tensione di prova supera un livello di soglia predeterminato, ad esempio 300 microampere. Se la pressione di vuoto si è ridotta a un livello in cui l'isolamento non è sufficiente, la corrente resistiva aumenta rapidamente al di sopra di questo livello di soglia. Pertanto, questo metodo distingue in modo affidabile tra un interruttore pieno d'aria e uno con un livello di vuoto accettabile. 

In alternativa, alcuni strumenti dispongono di una misurazione della corrente, oppure di entrambi i metodi. Tuttavia, poiché la corrente di prova in un buon serbatoio del vuoto può variare su un ampio intervallo, da pochi microampere a milliampere, questa misurazione non fornisce informazioni utili aggiuntive. Al contrario, è più probabile che causi confusione. La variazione della corrente di prova dipende da molti fattori tra cui, ad esempio, umidità, grado di inquinamento, temperatura, normale deterioramento, contaminazioni di entità minore ed emissioni di campo. E non ha molto senso tracciare la corrente poiché i fattori menzionati cambiano da test a test, quindi la corrente può aumentare o diminuire per ragioni che non possono essere identificate in maniera specifica. 

Interpretazione dei risultati del test CC 

Un serbatoio del vuoto che dimostra di essere in buone condizioni in un test CC risulterà tale anche quando testato con la corrente CA. Tuttavia, se un serbatoio del vuoto sembra essere difettoso in un test CC, il test deve essere sempre ripetuto con la polarità invertita. Questo perché, se su uno dei contatti è presente un punto microscopico affilato, questo potrebbe causare un'elevata corrente di emissioni di campo, talvolta dell'ordine dei milliampere, un valore ampiamente superiore al livello di soglia per i test GO/NO-GO. 

Le emissioni di campo si verificano solo quando il punto affilato si trova sull'elettrodo collegato al lato negativo dell'alimentazione del test CC. L'inversione della polarità determina quindi se l'interruttore è in buone o cattive condizioni, poiché un interruttore difettoso con vuoto insufficiente avrà un'elevata corrente di dispersione con entrambe le polarità. In altre parole, se un test CC mostra una corrente di dispersione elevata con entrambe le polarità, la conclusione deve essere che il serbatoio del vuoto è difettoso. Al contrario, se il serbatoio del vuoto mostra una perdita con una determinata polarità, ma non con la polarità inversa, è probabile che funzioni perfettamente in condizioni operative normali e che supporti la tensione CA richiesta; questo risultato del test può essere considerato definitivo. 

Ci sono stati rari casi in cui il metodo CC ha identificato un interruttore come difettoso, ma successivi test CA hanno dimostrato che era in buone condizioni. Per garantire che i risultati dei test siano assolutamente affidabili, la procedura consigliata è quella di riportare gli interruttori che hanno dato esito negativo con il test DC (tenendo presente che ce ne saranno molto pochi) in laboratorio, dove possono essere testati con la corrente CA per confermare le loro condizioni. Questo è comunque molto più conveniente rispetto al trasporto in loco di apparecchiature di verifica CA pesanti e ingombranti. 

Procedura di test 

Quando si utilizza un'apparecchiatura di prova VIDAR di Megger, una dettagliata procedura di test sicura e affidabile per i serbatoi del vuoto è: 

1. Collegare lo strumento VIDAR all'elemento da sottoporre al test. 
2. Selezionare la tensione di prova desiderata a seconda del tipo di camera di interruzione da testare (vedere Tabella 1). 
3. Applicare la tensione all'elemento sottoposto al test. 
4. Attendere che si accenda la spia verde ACCETTABILE o la spia rossa DIFETTOSA , e che rimanga accesa per almeno cinque secondi.
   1. a. Se la spia verde ACCETTABILE si accende e rimane accesa per almeno cinque secondi, il test è stato completato e la camera di interruzione può essere considerata in buone condizioni.
   2. b. Se la spia rossa DIFETTOSA si accende e rimane accesa per almeno cinque secondi, ripetere il test con la polarità invertita.
   3. c. Se la spia rossa DIFETTOSA si accende di nuovo, il test è stato completato e la camera di interruzione può essere considerata difettosa.
   4. d. Se la spia verdeACCETTABILE si accende questa volta e rimane accesa per almeno cinque secondi, il test è completato e la camera di interruzione può essere considerata in buone condizioni.

Riepilogo 

Le apparecchiature di verifica CC, come lo strumento VIDAR di Megger, sono ampiamente utilizzate e accettate per testare l'integrità del vuoto. I vantaggi in termini di dimensioni e peso rispetto alle apparecchiature di verifica CA le rendono particolarmente adatte per l'uso sul campo. Se si utilizza la procedura di prova corretta, ad esempio ripetere il test con polarità inversa se il primo test fornisce un risultato NO-GO, il metodo CC identificherà in modo affidabile gli interruttori automatici a vuoto che devono essere sostituiti. È possibile condurre un ulteriore test CA in laboratorio sugli interruttori automatici che il test CC ha indicato come difettosi; il test CA permetterà di riutilizzare gli interruttori che, seppur rari, potrebbero essere ancora buoni. Questo test aggiuntivo è tuttavia giustificabile più da un punto di vista ambientale che economico: evita che serbatoi del vuoto in buone condizioni vengano scartati e riduce i rifiuti, ma bisogna ammettere che comporta anche il costo aggiuntivo dei test in laboratorio. 

La misurazione della corrente durante il test CC non aggiunge alcun valore al test, poiché la corrente varierà di volta in volta in modo non necessariamente correlato all'integrità del vuoto. Non vi è alcun valore nell'andamento dei risultati, in quanto non vi sono tendenze significative da osservare. In effetti, le variazioni nella corrente di prova servono semplicemente a confondere gli utenti inesperti che non conoscono le ragioni di tali variazioni. Se il vuoto in un interruttore è insufficiente e l'isolamento è degradato, la corrente di prova sarà ben al di sopra della soglia del test GO/NO-GO e, pertanto, sarà correttamente identificato come difettoso.