Test diagnostici degli interruttori automatici ad alta tensione - Parte 1

Robert Neimanis - Application specialist

Introduzione

Gli interruttori automatici non sono i componenti più importanti delle apparecchiature di una sottostazione. Passano la maggior parte del tempo senza fare nulla, tranne restare in attesa. Tuttavia, si attivano per un attimo quando l'interruttore automatico deve lavorare immediatamente e perfettamente. Sfortunatamente, tutti i dispositivi ad azionamento elettrico sono più o meno soggetti a un certo tipo di malfunzionamento e, se un interruttore automatico non funziona come previsto, i problemi possono venire giù a cascata con risultati potenzialmente catastrofici.

Con i test, tuttavia, i tecnici e i responsabili delle sottostazioni possono avere meno preoccupazioni riguardo le prestazioni degli interruttori automatici. Gli interruttori automatici proteggono le apparecchiature che costituiscono una parte essenziale dell'infrastruttura e che sono costose da sostituire; la manutenzione degli interruttori previene le interruzioni, riducendo i problemi e i costi per le utenze e i clienti. Inoltre, esiste la componente servizio pubblico vera e propria per garantire l'erogazione affidabile di energia, riducendo al minimo i tempi di inattività e i tempi "al buio" dei clienti.

Il test degli interruttori delle sottostazioni è un'attività importante per tutti i fornitori di energia elettrica. Il corretto funzionamento di un interruttore si basa su molti singoli componenti che devono essere calibrati e testati a intervalli regolari. I fattori utilizzati per determinare gli intervalli di manutenzione differiscono notevolmente tra i fornitori di energia elettrica, ma spesso includono il tempo trascorso dall'ultimo test, il numero di operazioni o la gravità dei guasti nella gestione della corrente. Influiscono sul programma di manutenzione anche considerazioni di natura ambientale quali umidità e temperatura, sia che l'interruttore si trovi in una regione desertica o costiera.

Standard

Il design e il funzionamento degli interruttori automatici ad alta tensione, nonché il tipo e i test di routine sono definiti da standard internazionali quali:

1) IEC 62271-SER ed1.0 - Apparecchiatura di manovra e di comando ad alta tensione.

2) ANSI/IEEE C37 - Guide e standard per interruttori automatici, apparecchiatura di manovra, relè, sottostazioni e fusibili.

3) IEC/TR 62063 ed1.0 (1999-08) TC/SC 17A - Apparecchiatura di manovra e di comando ad alta tensione - Uso dell'elettronica e delle tecnologie associate nell'attrezzatura ausiliaria di apparecchiature di manovra e di comando ad alta tensione.

Tipi di interruttori automatici

Gli interruttori automatici possono essere classificati in molti modi diversi, in base alla tensione, all'applicazione, al mezzo isolante, ecc., come illustrato nella Figura 1.

A seconda della posizione dell'interruttore automatico nella rete elettrica, sono richiesti diversi livelli di affidabilità. Sono questi i requisiti che generalmente determinano il programma di test per l'interruttore e il numero di interventi di manutenzione che riceverà. In questo articolo in due parti esamineremo i metodi di test più comuni per gli interruttori automatici e alcuni metodi più recenti che stanno crescendo rapidamente in popolarità.

Metodi di test tradizionali

Le funzioni principali di un interruttore automatico sono l'apertura del circuito in risposta ai guasti e il collegamento/scollegamento di oggetti e parti della rete elettrica. La maggior parte delle operazioni di commutazione di un interruttore automatico sono a carico normale.

A prima vista potrebbe sembrare che non vi sia molto da testare in un interruttore automatico, ma uno sguardo più attento rivela un meccanismo complesso che deve funzionare in modo impeccabile in una manciata di millisecondi. La misurazione di questi millisecondi, ossia la temporizzazione dei contatti principali, è uno degli obiettivi fondamentali dei test degli interruttori automatici. Inoltre, la misurazione del movimento dei contatti è quasi sempre inclusa nel piano di manutenzione/assistenza degli interruttori automatici. Tuttavia, i possibili test sugli interruttori automatici non sono limitati a questi due, e discuteremo delle diverse tecniche di misurazione che aiutano a valutare in modo affidabile lo stato degli interruttori automatici.

Test di prima apertura

Un metodo efficace per verificare le condizioni di un interruttore automatico consiste nell'esaminarne il comportamento durante l'operazione di prima apertura dopo che è rimasto inattivo per un periodo di tempo prolungato. Per un test di questo tipo, i collegamenti all'interruttore automatico e le misurazioni vengono eseguiti mentre l'interruttore è ancora in servizio. Tutti i collegamenti di test vengono effettuati all'interno dell'armadio di controllo.

Il principale vantaggio di eseguire un test di prima apertura è che controlla le prestazioni dell'interruttore automatico in condizioni di funzionamento "reali". Se l'interruttore automatico non è stato azionato per un lungo periodo di tempo, il test di prima apertura rivela se il suo funzionamento è diventato più lento a causa di problemi nelle tiranterie del meccanismo o nell'indotto della bobina dovuti a corrosione o grasso secco. Con i metodi di test alternativi tradizionalmente utilizzati, i test vengono eseguiti dopo che l'interruttore automatico è stato messo fuori servizio e azionato almeno una volta.

Durante un test di prima apertura su un interruttore automatico azionato in gruppo (un interruttore con un meccanismo di azionamento comune), viene misurata una corrente di bobina. Su un interruttore unipolare, tuttavia, vengono misurate tre correnti di bobina. L'analisi degli spettri della corrente di bobina fornisce informazioni sulle condizioni dell'interruttore automatico. È possibile misurare anche la temporizzazione dei contatti ausiliari. Il tempo di apertura dell'interruttore automatico può essere misurato monitorando la corrente secondaria nei trasformatori di corrente di protezione, ma se si utilizza questo metodo, verrà inclusa la durata dell'arco. Se è presente un percorso di corrente primaria parallelo, il tempo di apertura può essere determinato con maggiore precisione poiché la formazione dell'arco viene ridotta al minimo.

Esempi di problemi che possono essere rilevati dall'analisi di prima apertura:

Temporizzazione dei contatti principali

La temporizzazione dei contatti principali si basa sulle definizioni IEC:

• Tempo di apertura - l'intervallo di tempo che intercorre tra l'attivazione del rilascio all'apertura (la bobina di scatto, ad esempio) e l'istante in cui i contatti d'arco sono separati in tutti i poli.
• Tempo di chiusura - l'intervallo di tempo che intercorre tra l'attivazione del dispositivo di chiusura (la bobina di chiusura, ad esempio) e l'istante in cui i contatti d'arco entrano in contatto reciprocamente in tutti i poli.

Lo scopo del test di temporizzazione dei contatti principali è assicurarsi che i tempi di apertura e chiusura siano quelli specificati dal produttore dell'interruttore automatico. I tempi che non rientrano nelle specifiche del produttore, in particolare quando si commutano correnti di cortocircuito, comportano un aumento della durata dell'arco. Ciò determina un'usura eccessiva dei contatti (nella migliore delle ipotesi) e può causare anche un'emergenza nell'apparecchiatura, ossia la fusione dei contatti. E, se i contatti sono fusi, è necessario intervenire sull'interruttore o sostituirlo.

Oltre ai tempi di apertura e chiusura accettabili per l'interruttore automatico nel suo complesso, è indispensabile una sincronizzazione corretta, sia tra le fasi che, in caso di più interruzioni per fase, tra i contatti nella stessa fase. 

Il sincronismo all'interno di una fase è essenziale quando diversi contatti sono collegati in serie. Qui, l'interruttore diventa un partitore di tensione quando apre un circuito. Se le differenze di tempo tra le operazioni dei contatti sono troppo grandi, una tensione eccessiva si verificherà su uno di essi con conseguente scarica elettrica, e la possibilità di gravi danni alla camera di rottura.

La tolleranza di tempo per la simultaneità tra le fasi è maggiore per un sistema di trasmissione di potenza trifase che funziona a 50 Hz, poiché sono sempre presenti 3,33 ms tra i crossover zero. Tuttavia, anche in tali sistemi, la tolleranza di tempo è solitamente specificata come inferiore a 2 ms. Va inoltre notato che gli interruttori che eseguono la commutazione sincronizzata devono soddisfare requisiti più severi in entrambe le situazioni suddette.

La norma IEC 62271-100 richiede che la sincronizzazione dell'interruttore automatico (fase rispetto a fase) sia migliore di 1/4 di ciclo per le operazioni di chiusura e di 1/6 di ciclo per le operazioni di apertura. La sincronizzazione tra gli interruttori nella stessa fase è specificata come migliore di 1/8 di ciclo.

Temporizzazione dei contatti del resistore

I contatti del resistore possono essere di tipo pre o post-inserimento. La temporizzazione dei contatti del resistore viene eseguita contemporaneamente ai contatti principali, ma è possibile rilevare solo i contatti del resistore mentre il contatto principale è aperto. Il valore della resistenza è un buon parametro per la valutazione.

Temporizzazione dei contatti ausiliari

Non esistono limiti generalizzati per le relazioni temporali tra i contatti principali e ausiliari, ma è ancora importante capire e controllare il funzionamento dei contatti ausiliari. Lo scopo di un contatto ausiliario è chiudere e aprire un circuito. Un contatto di questo tipo potrebbe, ad esempio, attivare una bobina di chiusura quando un interruttore sta per eseguire un'operazione di chiusura e quindi aprire il circuito immediatamente dopo l'avvio dell'operazione, per evitare il burnout della bobina. I contatti ausiliari vengono utilizzati anche per la protezione dei relè e per la segnalazione.

Test di iniezione della corrente primaria

Per i test iniezione della corrente primaria, viene immessa una corrente elevata sul lato primario del trasformatore di corrente. L'intera catena (trasformatore di corrente, conduttori, punti di collegamento, protezione relè e talvolta anche gli interruttori automatici) è coperta dal test. Durante il test di iniezione della corrente primaria, il sistema sottoposto a test deve essere messo fuori servizio. Questo tipo di test viene generalmente eseguito come parte del processo di messa in funzione.

L'unico modo per verificare che un interruttore automatico a bassa tensione ad azione diretta funzioni correttamente è immettere una corrente elevata attraverso di esso e osservarne/registrarne le prestazioni.

Movimento dei contatti principali

Un interruttore ad alta tensione è progettato per interrompere le correnti di cortocircuito in modo controllato. Ciò impone notevoli requisiti sulle prestazioni meccaniche del meccanismo di azionamento e di tutti i componenti della camera dell'interruttore. L'interruttore deve funzionare a una velocità specifica per accumulare una pressione adeguata al flusso di raffreddamento di aria, olio o gas (a seconda del tipo di interruttore) per estinguere l'arco generato dopo la separazione dei contatti fino al successivo passaggio attraverso lo zero.

È importante interrompere la corrente per evitare un reinnesco. Ciò si ottiene verificando che i contatti si allontanino sufficientemente prima che il contatto mobile entri nella cosiddetta zona di smorzamento. La distanza attraverso la quale l'arco elettrico dell'interruttore viene estinto è chiamata zona d'arco. Dalla curva di movimento, è possibile calcolare le curve di velocità e accelerazione, rivelando anche le variazioni marginali che potrebbero essere avvenute nella meccanica degli interruttori. Il movimento di contatto viene catturato collegando un trasduttore di corsa alla parte mobile del meccanismo di azionamento. Il trasduttore fornisce una tensione analogica correlata al movimento del contatto. Il movimento viene solitamente presentato come curva tempo-distanza.

Corsa

La traccia della corsa indica la posizione istantanea dei contatti dell'interruttore automatico durante un'operazione, come mostrato nella Figura 4. La traccia fornisce informazioni importanti come corsa totale, extracorsa, rimbalzo, sottocorsa, scivolamento delle parti di contatto o penetrazione del contatto mobile o posizione dell'asta di manovra al momento della chiusura o dell'apertura, e rivela anche molti tipi di anomalie.

Velocità e accelerazione

La velocità viene calcolata tra due punti sulla curva di movimento. Il punto più alto è definito come una distanza in lunghezza, in gradi o in percentuale di movimento dalla posizione chiusa o aperta, o dal punto di chiusura del contatto o di separazione del contatto. Il tempo trascorso tra questi due punti varia da 10 a 20 ms, che corrisponde a 1-2 crossover zero. Il punto più basso viene determinato in base al punto più alto. Può essere una distanza al di sotto del punto più alto o un tempo prima del punto più alto. Il vantaggio più importante derivante dalle curve di accelerazione e velocità istantanee è costituito dai dettagli che forniscono sulle forze coinvolte durante il funzionamento di un interruttore automatico. L'accelerazione media può essere calcolata anche dalla traccia della velocità.

Smorzamento

Lo smorzamento è un parametro importante da monitorare e testare poiché l'energia immagazzinata utilizzata dal meccanismo di azionamento per aprire e chiudere un interruttore automatico è considerevole. Le potenti sollecitazioni meccaniche prodotte durante le operazioni di apertura e chiusura possono facilmente danneggiare l'interruttore e/o ridurne la durata. Lo smorzamento delle operazioni di apertura viene generalmente misurato come seconda velocità, ma può essere misurato anche come il tempo che intercorre tra due punti appena al di sopra della posizione di apertura dell'interruttore.

Misurazione della resistenza dei contatti

La resistenza dei contatti viene misurata immettendo una corrente CC nota attraverso il sistema di contatto principale quando l'interruttore automatico è chiuso. Misurando la caduta di tensione, è possibile calcolare la resistenza. Il valore della resistenza dei contatti principali riflette le condizioni delle parti conduttive. Spesso, questo test è chiamato misurazione della resistenza statica (SRM).

Il valore della resistenza statica fornisce un valore di riferimento per tutti i tipi di giunti e contatti elettrici. Secondo la norma IEC56, questa resistenza deve essere misurata utilizzando una corrente compresa tra 50 A e la corrente nominale dell'interruttore. Lo standard ANSI C 37.09 specifica una corrente di test minima di 100 A. Altri standard internazionali e nazionali stabiliscono linee guida simili al fine di eliminare il rischio di ottenere per sbaglio misurazioni elevate se la corrente di test è troppo bassa. In alcuni casi, il calore generato da una corrente di test elevata disperde eventuali residui di grasso per contatti o altre impurità presenti sulle superfici di contatto (risultanti da numerose operazioni di interruzione della corrente alta). Quando i contatti dell'interruttore automatico sono in cattive condizioni, i valori ottenuti possono differire notevolmente da quelli misurati in fabbrica quando l'interruttore era nuovo. L'ANSI indica circa il 200% di aumento della resistenza rispetto al valore massimo specificato in fabbrica.

Misurazioni della resistenza dinamica (DRM)

Questo test viene eseguito immettendo corrente CC attraverso i contatti principali dell'interruttore e misurando sia la caduta di tensione che la corrente mentre l'interruttore è azionato. Questi valori vengono quindi utilizzati per tracciare la resistenza in funzione del tempo. Se il movimento dei contatti viene registrato contemporaneamente, è possibile determinare la resistenza in ogni posizione dei contatti. Questo metodo viene utilizzato principalmente per la diagnosi dei contatti, ma può essere adoperato anche per la temporizzazione dei contatti principali.

Con la DRM, la lunghezza del contatto d'arco può essere stimata in modo affidabile, come illustrato nella Figura 5. L'unico modo alternativo per trovare la lunghezza del contatto d'arco è smontare l'interruttore automatico. Negli interruttori SF6, il contatto d'arco è comunemente realizzato in tungsteno. Questo contatto si consuma e si riduce a ogni interruzione della corrente di carico. Le misurazioni della resistenza dinamica rivelano chiaramente questo accorciamento del contatto d'arco. Per ottenere dati DRM affidabili, è necessaria una corrente di test elevata e un'apparecchiatura di test con una buona risoluzione di misurazione della tensione.

Continua …

La seconda e ultima parte di questo articolo, che sarà pubblicata in una futura edizione di Electrical Tester, tratterà di altri test per interruttori automatici ampiamente utilizzati, tra cui test di bobina e tensione, test per bombola del vuoto, test di perdite da SF6 e pressione dell'aria, oltre a nuovi metodi di test come le tecniche con frequenza di risonanza che stanno diventando rapidamente sempre più popolari.