Interruttore automatico e trasduttori - parte 2
La parte 1 di questo articolo, apparsa nell'edizione online di Electrical Tester di settembre 2017, disponibile facendo clic qui, esaminava i fondamenti delle misurazioni di tempo e corsa per gli interruttori automatici. Questa seconda e ultima parte presenta un case study pratico e spiega anche come procedere quando il produttore dell'interruttore automatico fornisce informazioni minime, o addirittura non le fornisce affatto, per facilitare la misurazione di tempo e corsa.
Robert Foster - Application engineer
Case study: Interruttore automatico Siemens SPS2-38-40-2
Per esaminare in che modo il posizionamento del trasduttore influisce sulle misurazioni della corsa, sono stati collegati diversi trasduttori, rotativi e lineari, a un interruttore automatico per serbatoio morto SF6 Siemens SPS2-38- 40-2 dotato di meccanismo FA2.20. Questo interruttore ha una potenza nominale di 38 kV ed è in grado di interrompere 40 kA. È dotato di un'interruzione per fase ed è azionato in gruppo (vedere le Figure 1 e 2).
Fig.1: Targhetta Siemens SPS2-38-40-2
Fig. 2: Interruttore automatico Siemens SPS2-38-40-2 con meccanismo FA2.20
Siemens raccomanda di misurare il movimento con un trasduttore lineare collegato a un braccio di azionamento sul meccanismo (vedere Figura 3).
Fig.3: Collegamento del trasduttore lineare A
L'azienda afferma che 80 mm di corsa sul meccanismo è pari a 120 mm di corsa sui contatti, vale a dire che, per determinare il movimento effettivo dei contatti è necessario utilizzare un fattore di moltiplicazione pari a 1,5. Indica inoltre di utilizzare i punti di calcolo della velocità di contatto e la distanza di 10 ms a valle per l'operazione di chiusura, e il punto di separazione dei contatti e la distanza di 10 ms a monte per l'operazione di apertura. Oltre al collegamento del trasduttore standard, sono stati effettuati altri quattro collegamenti del trasduttore: un trasduttore lineare è stato collegato al braccio tirante terminale sulla terza fase e tre trasduttori rotativi sono stati collegati alle scanalature rotanti che azionano l'interruttore (vedere Figura 4). Per tutti i collegamenti sono stati utilizzati gli stessi punti di calcolo della velocità.
Fig. 4: Collegamenti dei trasduttori, da sinistra a destra, tirante Lineare, Rotativo C, Rotativo B e Rotativo A
Per confrontare le diverse misurazioni del trasduttore, all'inizio non sono stati utilizzati fattori di conversione sui due collegamenti del trasduttore lineare, mentre è stato usato un fattore di 1º uguale a 1 mm per il trasduttore rotativo. La Figura 5 mostra le tracce di movimento provenienti dai tre diversi collegamenti per un'operazione di chiusura; tutti e tre sono scalati a 10 mm per divisione.
La traccia A sul grafico in rosso è il trasduttore lineare collegato direttamente al meccanismo, come raccomandato da Siemens; questa verrà definita Lineare A. La traccia B in nero è il trasduttore rotativo ed è collegata alla scanalatura rotante nella fase B; questa verrà chiamata Rotativo B. La traccia C in blu è il trasduttore lineare collegato all'estremità del tirante di interconnessione vicino alla scanalatura rotante nella fase C e verrà definita Lineare C.
Per tutti i grafici, la parte inferiore della curva rappresenta la posizione di completa apertura mentre la parte superiore della curva la posizione di completa chiusura. Viene visualizzata anche la temporizzazione per ciascuna fase: una linea sottile indica l'apertura, una linea spessa la chiusura. I risultati della temporizzazione mostrano che tutte e tre le fasi sono relativamente sincronizzate, con una differenza di 0,3 ms tra la più lenta e la più veloce, e un tempo di chiusura di circa 48 ms. Come previsto, le misurazioni della corsa variano notevolmente a causa dei diversi punti di collegamento. La corsa per Lineare A è 78,9 mm, per Rotativo B è 59,0 mm (59°) e per Lineare C è 106,5 mm. Da queste misurazioni della corsa, anche i parametri che dipendono dallo spostamento quali velocità, extra corsa, penetrazione, rimbalzo ecc., varieranno in base alla posizione del trasduttore.
Fig. 5: Operazione di chiusura senza conversione, Lineare A in rosso (traccia centrale), Rotativo B in nero e Lineare C in blu (traccia superiore)
Un esame dell'operazione di apertura (vedere Figura 6) mostra una variazione simile nei valori della corsa per i diversi collegamenti.
Fig. 6: Operazione di apertura senza conversione, Lineare A in rosso (traccia centrale), Rotativo B in nero e Lineare C in blu (traccia superiore)
Come accennato in precedenza, il manuale dell'interruttore automatico indica che 80 mm di movimento in corrispondenza del meccanismo equivale a 120 mm di movimento dei contatti, pertanto con una corsa del trasduttore di 78,9 mm la corsa dei contatti è di 118,35 mm. Dal momento che gli altri trasduttori misuravano il movimento durante la stessa operazione, è possibile calcolare i rapporti per l'altro trasduttore lineare e per il trasduttore rotativo. Dati i valori 59,0° = 118,35 mm per Rotativo B e 106,5 mm = 118,35 mm per Lineare C, i fattori di conversione sono rispettivamente 2,003 mm/° e 1,1099 mm/mm. Con queste informazioni a portata di mano, l'interruttore automatico è stato testato nuovamente applicando il fattore di conversione appropriato a ciascun trasduttore. I risultati sono mostrati nelle Figure 7, 8, 9 e 10.
Fig. 7: Operazione di chiusura con fattori di conversione applicati, Lineare A in rosso, Rotativo B in nero e Lineare C in blu
Fig. 8: Operazione di chiusura con fattori di conversione applicati, dal basso verso l'alto: Lineare A in rosso, Rotativo B in nero e Lineare C in blu
Fig. 9: : Operazione di apertura con fattori di conversione applicati, Lineare A in rosso, Rotativo B in nero e Lineare C in blu
Fig. 10: Apertura con fattori di conversione applicati, dal basso verso l'alto: Lineare C in rosso, Rotativo B in nero e Lineare C in blu
Questi grafici mostrano che, anche con tre diversi punti di attacco del trasduttore e due diversi tipi di trasduttore, si ottengono risultati molto simili, a condizione che venga applicato il fattore di conversione corretto. La differenza massima tra i valori della corsa è di 0,2 mm durante l'operazione di chiusura e di 0,5 mm durante l'apertura. Anche i valori di penetrazione, extra corsa e rimbalzo sono molto vicini per le tre diverse misurazioni.
Un'interessante osservazione è che la traccia della corsa di Lineare A, il trasduttore lineare collegato direttamente al meccanismo, mostra un'oscillazione per l'intero movimento, mentre Lineare C, il trasduttore lineare collegato all'estremità del tirante, mostra un leggero movimento oscillatorio all'inizio e alla fine della corsa. Molto probabilmente la flessione nell'asta di movimento e il collegamento dell'asta al trasduttore giustificano in parte questo movimento. Inoltre, poiché Lineare A è collegato direttamente al meccanismo, le vibrazioni del meccanismo influiscono sul movimento durante l'intera corsa. Poiché l'operazione di chiusura richiede più energia, chiudendo l'interruttore e caricando la molla di apertura, questo effetto risulta più evidente durante l'operazione di chiusura.
Un'altra interessante osservazione è che la velocità è diversa per ogni collegamento. Ciò è in parte dovuto al fatto che i punti di calcolo si basano su contatto e separazione, pertanto la variazione nella temporizzazione influirà sul punto della curva in cui viene calcolata la velocità.
Su Lineare A le vibrazioni possono influire anche sui calcoli della velocità. Se uno dei punti di calcolo della velocità si trova nel punto più alto di un'oscillazione e l'altro punto di calcolo si trova nel punto più basso di un'oscillazione, il valore della velocità ottenuto può essere molto diverso dal valore che si ottiene quando i punti ricadono su una parte neutra dell'oscillazione. Questo effetto è stato confermato esaminando diverse operazioni consecutive e osservando che i valori di velocità ottenuti da Lineare A variavano di 0,16 m/s o del 3%, mentre i valori degli altri due collegamenti variavano di un'ampiezza inferiore.
Anche il gioco nei tiranti influisce sui calcoli della velocità.
Un'ultima cosa da considerare è che è stato ipotizzato un fattore di conversione lineare, ovvero è stata utilizzata una costante di conversione. Facendo un confronto tra Rotativo B e Lineare C, questi si allineano meglio all'inizio e alla fine della corsa. A metà del movimento divergono leggermente e, poiché questa è la parte della curva in cui viene calcolata la velocità, ne consegue che anche le velocità divergono leggermente. Se sono state analizzate le geometrie ed è stata creata una tabella di conversione per entrambi i collegamenti, è probabile che si sovrappongano per la maggior parte della corsa e che le velocità si allineino maggiormente.
Fig. 11: Operazione di chiusura con fattori di conversione applicati, dal basso verso l'alto: Rotativo A in rosso, Rotativo B in nero e Rotativo C in blu
Fig. 12: Operazione di chiusura con fattori di conversione applicati, Rotativo A in rosso, Rotativo B in nero e Rotativo C in blu
È possibile esaminare le tracce di movimento dei tre diversi trasduttori rotativi per osservare come lo stesso collegamento può essere posizionato a distanze diverse dal meccanismo, vale a dire in punti diversi lungo i tiranti di interconnessione, e ottenere risultati simili. Le Figure 11 e 12 mostrano i risultati di un'operazione di chiusura. La traccia A sul grafico in rosso è il trasduttore rotativo collegato direttamente alla scanalatura rotante che aziona l'interruttore in fase A; questa fase verrà definita fase A. Analogamente, la traccia B in nero è il trasduttore rotativo collegato alla fase B e verrà denominata fase B. Infine, la traccia C in blu è il trasduttore rotativo collegato alla fase C e verrà definita fase C.
Ancora una volta, tutte e tre le tracce sono molto simili con una variazione nella corsa di soli 1,2 mm tra la fase più corta e quella più lunga. Notare che la fase A inizia a muoversi circa 0,5 ms prima delle fasi B e C, ed è quello che ci si può aspettare dal momento che è il collegamento più vicino al meccanismo. Le fasi A e C producono tracce molto regolari durante tutto il movimento, ma la fase B presenta alcune oscillazioni nei primi 20 ms di corsa. Queste oscillazioni sono probabilmente dovute a un ritardo meccanico. La fase B viene spinta dal tirante dalla fase A e quindi deve spingere il tirante nella fase C. Qualsiasi gioco meccanico nei collegamenti tra B e le altre due fasi determina piccole perturbazioni.
Le velocità di A e C sono abbastanza vicine, ma la fase B è più lenta di 0,2 m/s. Ciò è probabilmente dovuto a due fattori: in primo luogo, le oscillazioni nella traccia possono causare la misurazione di punti di velocità diversi, come già menzionato; in secondo luogo, la temporizzazione delle tre fasi è leggermente diversa e il punto di calcolo della velocità si basa sul contatto.
Un'attenta osservazione dei punti di calcolo della velocità rivela che non si allineano nel tempo.
Osservando l'operazione di apertura nella Figura 13 e nella Figura 14, la coerenza tra le diverse fasi ancora maggiore.
Fig. 13: Operazione di apertura con fattori di conversione applicati, dal basso verso l'alto: Rotativo A in rosso, Rotativo B in nero e Rotativo C in blu
Fig. 14: Operazione di apertura con fattori di conversione applicati, Rotativo A in rosso, Rotativo B in nero e Rotativo C in blu
Tutte e tre le tracce si trovano praticamente l'una sopra l'altra senza alcuna deviazione fino a quando i contatti non raggiungono la posizione di chiusura. La corsa delle diverse fasi è più vicina con una differenza di soli 0,5 mm tra la fase più corta e quella più lunga.
Ancora una volta, le velocità delle tre fasi sono diverse ma, se si osservano i tempi di contatto e i punti di calcolo della velocità, si nota che la velocità viene calcolata in punti leggermente diversi su ciascuna curva, modificando leggermente i valori. Se i punti di calcolo della velocità vengono modificati per fare riferimento a un valore inferiore alla chiusura e a un differenziale, i punti B e C si spostano alla stessa velocità mentre la fase A è leggermente più lenta poiché deve spingere le altre due fasi.
Cosa fare se il produttore fornisce informazioni minime, o addirittura non le fornisce affatto
Occasionalmente il produttore potrebbe non fornire informazioni appropriate per le misurazioni della corsa e quindi spetta al tecnico decidere quale tipo di trasduttore adoperare, dove collegarlo, quale fattore/tabella di conversione usare (se presente) e quali punti di calcolo della velocità utilizzare per determinare la velocità dei contatti.
Prima di collegare un trasduttore, è necessario fare un'attenta analisi e, una volta determinato un metodo, occorre utilizzare in futuro gli stessi parametri di collegamento e di misurazione per analizzare l'andamento dei risultati. Sebbene le registrazioni delle corsa ottenute senza avere accesso alle informazioni del produttore forniscano dati preziosi e possano essere utilizzate come riferimento futuro, i valori ottenuti potrebbero non essere necessariamente paragonabili ai report dei test condotti di fabbrica o ai limiti dei parametri.
Ancora una volta, al fine di evitare danni al trasduttore e ai relativi accessori, nessuna parte del trasduttore, della staffa di montaggio o dell'asta di movimento (se utilizzata) deve trovarsi nel percorso diretto di eventuali parti mobili dell'interruttore automatico.
La prima cosa da cercare per decidere dove collegare il trasduttore è se è possibile effettuare un collegamento diretto ai contatti o al braccio di azionamento dei contatti. In caso affermativo, è possibile collegare un trasduttore lineare e misurare la corsa, le velocità e gli altri parametri corretti senza la necessità di una tabella di conversione. Se il collegamento diretto ai contatti non è possibile, come accade spesso, è necessario selezionare una posizione molto vicina ai contatti, con il numero minimo di tiranti tra il punto di collegamento e i contatti.
È possibile utilizzare un trasduttore lineare o rotativo. La norma IEC 62271-100 afferma che le caratteristiche meccaniche possono essere registrate con un trasduttore di corsa in "posizioni opportune sull'unità del sistema di contatto in cui è presente un collegamento diretto, ed è possibile ottenere un'immagine rappresentativa della corsa dei contatti".
Il collegamento diretto al meccanismo può causare vibrazioni indesiderate e influenzare i risultati, pertanto cercare di evitarlo, se possibile. Se si utilizza un collegamento indiretto, sono disponibili due opzioni: creare una tabella/fattore di conversione o misurare il valore assoluto del movimento, espresso in lunghezza o angolo, e visualizzare l'andamento dei risultati con il trasduttore collegato nello stesso punto durante i test futuri.
Se è necessario utilizzare un fattore o una tabella di conversione, i punti di collegamento e i tiranti possono essere esaminati e misurati per sviluppare una funzione trigonometrica che correla il movimento del trasduttore al movimento dei contatti. La funzione può essere determinata anche dai disegni meccanici dell'interruttore automatico.
Se la corsa dei contatti è nota, un altro metodo meno preciso per creare un fattore di conversione è quello di presupporre una relazione lineare tra il punto di collegamento e i contatti. La corsa nota dei contatti può essere divisa per la corsa misurata del trasduttore per creare il fattore di conversione. Questo valore può essere quindi utilizzato per misurare le caratteristiche della corsa per le misurazioni delle impronte iniziali e per i test futuri.
Notare che, se la relazione tra il punto di connessione e i contatti non è lineare, altri parametri che dipendono dalla corsa, quali velocità, extra corsa, rimbalzo e così via, potrebbero non essere corretti. Inoltre, se la misurazione iniziale viene effettuata in presenza di problemi con l'interruttore automatico, ossia quando la corsa non è corretta, anche le misurazioni successive saranno errate. Se sono disponibili altri interruttori automatici dello stesso tipo, è utile confrontare le misurazioni per verificare il fattore di correzione.
Se il produttore non ha indicato i punti di calcolo della velocità, si consiglia di utilizzare il punto di contatto e la distanza di 10 ms a valle per l'operazione di chiusura, e il punto di separazione e la distanza di 10 ms a monte per l'operazione di apertura. In questo modo si garantisce che la velocità venga misurata nella zona dell'arco critica dell'interruttore. Ancora una volta, vale la pena sottolineare che, una volta stabilito il metodo di collegamento del trasduttore, il fattore di conversione e i punti di calcolo della velocità, questi devono essere utilizzati per tutta la vita utile dell'interruttore automatico per poter analizzare l'andamento dei risultati.
Conclusione
Gli interruttori automatici sono elementi chiave nelle reti di distribuzione e trasmissione dell'energia elettrica di tutto il mondo. Lo standard IEEE C37.09 afferma che "le curve corsa-tempo devono essere ottenute per tutti gli interruttori automatici in esterni con un tempo di interruzione di tre cicli o inferiore." Per verificare che l'interruttore automatico funzioni correttamente quando è chiamato a proteggere le risorse nella rete, è necessario eseguire l'analisi del tempo e della corsa.
Per determinare il tipo di trasduttore da usare, dove deve essere collegato, quale fattore di conversione deve essere applicato e quali punti di calcolo della velocità devono essere utilizzati, il primo passo consiste nel consultare il manuale del produttore. Se non contiene alcuna indicazione o se le istruzioni non sono chiare, il passo successivo è contattare il produttore.
Se questa opzione non è disponibile, il tecnico che esegue il test deve decidere come procedere. Se possibile, è necessario adottare un collegamento diretto tra il trasduttore e i contatti, ma se ciò non è possibile, utilizzare un punto di collegamento vicino ai contatti con una quantità minima di tiranti, che può rappresentare con precisione la corsa dei contatti. Se la geometria dell'interruttore automatico è nota, è possibile creare un fattore o una tabella di conversione per calcolare con precisione la corsa e i parametri che dipendono dalla corsa.
Anche se i punti di misurazione originali utilizzati dal produttore non sono noti, è ancora possibile ottenere dati preziosi con un trasduttore, purché venga collocato in una posizione sensata. In effetti, anche se il movimento viene misurato in punti diversi dell'interruttore automatico, i risultati saranno molto simili, a patto che venga applicato il fattore di conversione corretto.
Se non è possibile creare un fattore o una tabella di conversione accurati, il valore assoluto della corsa del trasduttore e dei relativi parametri può essere misurato durante la messa in funzione o quando l'interruttore automatico è in buone condizioni. I valori ottenuti possono quindi essere analizzati nel tempo per tenere traccia di eventuali variazioni nel movimento o nel funzionamento dell'interruttore automatico.
Infine, una volta scelto un tipo di collegamento e un fattore di conversione, tutte le misurazioni future devono essere eseguite utilizzando la stessa impostazione in modo che i risultati possano essere analizzati correttamente.
