Test degli interruttori automatici CC ad alta velocità
Autore: Wim D'Hooghe
Sebbene molti dei nostri lettori conoscano già gli interruttori automatici utilizzati nei sistemi di alimentazione CA, è possibile che abbiano meno familiarità con gli interruttori automatici CC ad alta velocità (HSCB CC), frequentemente impiegati nei sistemi di trasporto. Per colmare questa lacuna, Wim D'Hooge, specialista della gamma di prodotti BALTO di Megger, offre un'introduzione utile agli interruttori automatici CC ad alta velocità, alle loro applicazioni e alle modalità di test.
Introduzione
Che cos'è un interruttore automatico CC ad alta velocità? Si tratta di un dispositivo di protezione con una caratteristica molto semplice: dovrebbe sempre scattare alla corrente massima impostata (Ids) entro un tempo specificato, generalmente 10 ms, indipendentemente dall'entità della sovracorrente. Durante il test di questi dispositivi, i parametri che devono essere misurati sono la corrente massima impostata, il tempo di apertura dell'interruttore e la resistenza di contatto dei contatti principali. Questi interruttori sono chiaramente molto diversi da quelli utilizzati nel settore dell'energia; quindi, dove vengono utilizzati?
La loro applicazione principale è nel settore dei trasporti. In molti paesi, i sistemi ferroviari nazionali che utilizzano trazione elettrica sono suddivisi approssimativamente in parti uguali tra corrente di trazione CA e CC. Generalmente, i collegamenti ad alta velocità su lunghe distanze utilizzano corrente CA, mentre i servizi ferroviari locali, i tram, le metropolitane e altri servizi di trasporto ferroviario leggero utilizzano la corrente CC. E ovunque venga utilizzata la trazione CC, c'è bisogno degli interruttori automatici CC ad alta velocità. Tuttavia, questo non è il loro unico ambito di applicazione: circa il 10% degli interruttori automatici CC ad alta velocità viene utilizzato in altri settori, come quello marittimo e minerario. Questa percentuale potrebbe aumentare in futuro con la crescita della popolarità delle fonti di energia rinnovabile, molte delle quali sono a corrente CC.
Nel settore dei trasporti, in particolare, gli interruttori automatici CC ad alta velocità sono presenti già da molto tempo, e non è affatto insolito trovarli in apparecchiature che sono in servizio da anni o addirittura decenni. Gli interruttori automatici CC ad alta velocità si trovano nelle sottostazioni della potenza di trazione e anche nel materiale rotabile. Per curiosità, vale la pena ricordare che molto spesso chi lavora nelle sottostazioni ha ben poco a che fare con chi si occupa del materiale rotabile, poiché tendono ad operare come due gruppi separati.
Esistono numerosi produttori di interruttori CC ad alta velocità che offrono una vasta gamma di prodotti, ma tutti possono essere testati con i sistemi BALTO. Il primo di questi sistemi risale al 2008 quando, piuttosto sorprendentemente, era praticamente impossibile per gli utenti testare i propri interruttori automatici CC ad alta velocità! Alcuni avevano realizzato impianti di collaudo ingombranti, grandi quanto una stanza, mentre altri si limitavano a un'ispezione visiva durante la pulizia, senza eseguire alcun test funzionale. Questa situazione, chiaramente insoddisfacente, ha portato allo sviluppo del sistema BALTO.
Test degli interruttori automatici CC ad alta velocità
Le principali occasioni in cui è necessario testare gli interruttori automatici CC ad alta velocità sono:
- Durante la messa in servizio
- In preparazione di un aggiornamento della linea (quando si prevede di far circolare un maggior numero di treni su una linea, è necessario disporre di più corrente e quindi regolare gli interruttori delle sottostazioni su una corrente di intervento più elevata, con conseguente necessità di ricalibrazione e di nuovi test)
- Come parte della manutenzione ordinaria (in genere ogni 2 o 3 anni in una sottostazione, più frequentemente su materiale rotabile)
Dopo la riparazione o la revisione di un interruttore
Gli interruttori su materiale rotabile possono essere testati comodamente con un'apparecchiatura di test BALTO Compact, ma per gli interruttori più grandi, utilizzati nelle sottostazioni di trazione, viene utilizzato il sistema BALTO Modular, in grado di alloggiare fino a cinque unità di alimentazione. Le unità di alimentazione hanno un valore nominale di 4.000 A; ciò significa che un sistema completamente carico, montato su un carrello per la mobilità, può fornire fino a 20.000 A. In una configurazione master-slave, può arrivare fino a 40.000 A.
Questa corrente nominale elevata potrebbe far pensare che l'apparecchiatura di test sia potenzialmente pericolosa, ma non è assolutamente così. La fonte di alimentazione è costituita da batterie e ultra condensatori che forniscono un'alimentazione di 15 V a un convertitore CC/CC. L'uscita del convertitore, cioè la corrente di prova, è di appena 4 V, quindi è sicura come una batteria AA! Naturalmente, quando si esegue un test che prevede l'inserimento, ad esempio, di 10.000 A in un interruttore, i cavi continuano a oscillare leggermente a causa del campo elettromagnetico prodotto dalla corrente di prova.
Esistono standard IEC separati per testare le sottostazioni della potenza di trazione (IEC 61992-2) e il materiale rotabile (IEC 60077-2/3), ma entrambi specificano che la corrente di intervento, la corrente massima impostata, deve essere misurata mentre la corrente attraverso l'interruttore aumenta a una velocità di 200 A/s. In pratica, prima di effettuare questa misurazione, viene effettuato un test rapido per determinare (approssimativamente) la soglia di intervento dell'interruttore.
Quando si esegue la prova rapida utilizzando, ad esempio, un'apparecchiatura di test dotata di due moduli di alimentazione da 4.000 A, questa inserisce una corrente che aumenta da zero a 8.000 A in 600 ms. Questo aumento è troppo rapido per una misurazione precisa della corrente massima impostata, ma fornisce un'indicazione veloce delle impostazioni dell'interruttore. Con il test rapido, un interruttore impostato ad attivarsi, ad esempio, a 6.000 A, mostrerà probabilmente una corrente di intervento di circa 6.500 A, troppo alta, ma comunque utile.
La fase successiva consiste nell'eseguire il test in conformità agli standard IEC, come illustrato nella Figura 1. Poiché si conosce il valore approssimativo della corrente massima impostata, grazie al test rapido, la corrente di test può essere fatta aumentare molto rapidamente finché non si avvicina a questo valore. Ciò consente di utilizzare al meglio la carica nelle batterie dell'apparecchiatura di test e negli ultracondensatori. Quando si avvicina il valore di corrente massima impostata previsto, il tasso di variazione della corrente di test viene ridotto a 200 A/s, come stabilito nello standard. Il punto di scatto, mostrato dalla linea verticale continua nella Figura 1, deve essere in linea con gli standard IEC.
Figura 1: Misurazione della corrente massima impostata
Vale la pena ricordare che l'energia immagazzinata in un'apparecchiatura di test BALTO è sufficiente a fornire la corrente di test per un massimo di 5 secondi, durante i quali aumenta di 1.000 A (5 secondi x 200 A/s). Questo ampio margine di corrente consente di misurare con precisione la corrente di intervento, anche se il risultato del test preliminare era leggermente impreciso. Al contrario, le apparecchiature di test di altri produttori possono fornire la corrente di test solo per circa 0,5 s. In questo modo, si ottiene una corrente di appena 100 A, quindi è molto facile perdere il punto di scatto, con conseguenti inconvenienti e perdite di tempo.
Figura 2: Misurazione del tempo di apertura dell'interruttore
Dopo la misurazione della corrente massima impostata, viene eseguito un test per determinare il tempo di apertura dell'interruttore, come mostrato nella Figura 2. Per questo test, la corrente viene aumentata lentamente fino a raggiungere il 90% del valore misurato della corrente massima impostata, per poi essere aumentata bruscamente fino al 110%. L'interruttore scatta e viene misurato il tempo che intercorre tra la variazione di fase della corrente e l'interruzione del flusso di corrente. Questo è il tempo di sgancio (trip time). Nel caso mostrato, è pari a 11 ms, un buon valore per un interruttore automatico CC ad alta velocità.
Il test finale consiste nel misurare la resistenza del contatto, che determina la caduta di tensione sui contatti principali dell'interruttore. Questo valore dovrebbe essere dell'ordine di 30 μΩ; valori significativamente superiori indicano un problema. La corrente di test utilizzata per misurare la resistenza di contatto è specificata dal produttore dell'interruttore. I valori tipici sono 1.000 A per gli interruttori di piccole dimensioni e il doppio per quelli più grandi.
Questi test forniscono una valutazione completa delle prestazioni di un interruttore automatico CC ad alta velocità e, a condizione che vengano utilizzate apparecchiature di test adeguate, possono essere eseguiti molto rapidamente. Nella maggior parte dei casi, l'esecuzione dei test richiede solo cinque minuti ma, a seconda delle circostanze, l'esecuzione dei collegamenti necessari, può aumentare notevolmente il tempo complessivo.
Interruttori con relè di protezione
Fino ad ora, abbiamo preso in considerazione interruttori automatici CC ad alta velocità a rilascio diretto. Ciò significa che scattano esclusivamente in base alla corrente che li attraversa. Tuttavia, gli interruttori montati nelle sottostazioni di trazione possono scattare indirettamente tramite un relè di protezione (vedere la Figura 3), anche se questa configurazione non è utilizzata da tutte le imprese di trasporto. È disponibile un'opzione per il sistema BALTO che consente di testare interruttori con relè di protezione simulando l'uscita di uno shunt, che può essere di 60 mV, 150 mV o altri valori, e inserendo una corrente regolabile nel relè di protezione. Si noti che gli utenti che desiderano solo testare gli interruttori con rilascio diretto, non avranno bisogno di questa opzione.
Figura 3: Un interruttore con un relè di protezione
Conclusione
Con le giuste apparecchiature, testare gli interruttori automatici CC ad alta velocità è facile e veloce. Inoltre, rappresenta una misura di protezione efficace contro i costi elevati e le interruzioni che possono derivare da un guasto dell'interruttore automatico. In una rete di trasporto, un interruttore che scatta inutilmente può causare disagi a migliaia di passeggeri, mentre uno che non scatta quando dovrebbe può danneggiare le costose apparecchiature, generando costi e interruzioni ancora maggiori. Le conseguenze dei guasti degli interruttori in altri settori sono altrettanto gravi; quindi, per tutti coloro che utilizzano interruttori automatici CC ad alta velocità, un modesto investimento nelle apparecchiature di test sarà sicuramente ben speso!
