Interruttore automatico e trasduttori - parte 1
Introduzione
Esistono numerosi tipi di apparecchiature nella rete di distribuzione e trasmissione elettrica che eseguono operazioni specifiche e necessarie. L'interruttore automatico è uno di questi e serve a proteggere risorse preziose nella sottostazione. L'interruttore automatico tuttavia presenta caratteristiche specifiche, perché deve funzionare contemporaneamente come conduttore quasi perfetto e come isolatore quasi perfetto. Deve passare da uno stato all'altro in millisecondi, a volte disperdendo enormi quantità di energia durante la transizione.
Un interruttore automatico è definito come "un dispositivo di commutazione meccanico" e il modo per determinare se la funzione di commutazione meccanica funziona correttamente è collegare un analizzatore di tempo e corsa per valutare le caratteristiche operative. Quando gli interruttori automatici a olio erano la tecnologia più diffusa nelle sottostazioni, le misurazioni della corsa venivano eseguite regolarmente. Tuttavia, le misurazioni della corsa vengono ora eseguite molto meno frequentemente, per motivi quali la mancanza di tempi di interruzione e di personale addetto alla manutenzione, oltre alla complessità del collegamento di un trasduttore all'interruttore automatico. Spesso vengono sostituite con la sola temporizzazione dei contatti oppure ridotte al test di primo sgancio.
Un recente studio condotto dal gruppo di lavoro CIGRE A3.06, pubblicato nel 2012, ha rilevato che il 50% dei guasti principali di un interruttore automatico era dovuto al meccanismo di funzionamento e il 30% al controllo elettrico e ai circuiti ausiliari. Anche se la temporizzazione dei contatti e il primo sgancio sono test importanti e devono senza dubbio essere eseguiti, non consentono di testare completamente le caratteristiche di funzionamento del meccanismo. Pertanto, se è necessario determinare lo stato effettivo dell'interruttore automatico, le misurazioni della corsa non devono essere trascurate.
Misurazioni di base eseguite con il trasduttore
Sebbene un trasduttore di movimento possa essere collegato all'interruttore automatico per determinare la corsa di diverse parti dei suoi componenti, come il dissipatore viscoso, la sua principale applicazione consiste nel misurare il movimento dei contatti principali/d'arco nell'interruttore automatico, e questo articolo si concentra su tale applicazione.
Il trasduttore può essere collegato a molte parti diverse dell'interruttore automatico: direttamente all'asta di trazione dei contatti principali, direttamente al meccanismo, in un punto qualsiasi dei collegamenti intermedi o persino a un interruttore ausiliario.
Molti parametri vengono determinati dal trasduttore, ma il più importante è la corsa dell'interruttore automatico, poiché tutti gli altri parametri derivano da questo. La corsa è definita come la distanza totale percorsa dai contatti dalla posizione di riposo nello stato chiuso alla posizione di riposo nello stato aperto o viceversa. È essenziale collegare il trasduttore al punto di attacco consigliato dal produttore sull'interruttore automatico e applicare i fattori di correzione appropriati se non è possibile effettuare un collegamento diretto ai contatti. Come minimo, la misurazione della corsa durante la manutenzione periodica deve essere coerente in modo da poter visualizzare l'andamento dei risultati.
Se l'interruttore automatico è del tipo ad azionamento simultaneo, ovvero è dotato di un solo meccanismo che aziona tutte e tre le fasi, è necessario un solo trasduttore. Se l'interruttore automatico ha meccanismi di funzionamento separati per ciascuna fase, è necessario utilizzare un singolo trasduttore per ciascun meccanismo.
Una volta determinata la corsa dell'interruttore automatico, è possibile ricavare la velocità dei contatti nelle diverse regioni della corsa. La regione più comune per misurare la velocità è la zona dell'arco dell'interruttore automatico, dove questo interrompe o elimina il guasto. Occasionalmente, viene anche misurato lo smorzamento sulla curva della corsa, calcolando la velocità nella zona di smorzamento o il tempo tra due punti predefiniti sulla curva della corsa nella zona di smorzamento.
Osservando il tempo di chiusura insieme alla misurazione della corsa, è possibile determinare la penetrazione o il movimento del contatto, ossia quanto i contatti sono impegnati. La penetrazione è la lunghezza misurata dal contatto iniziale fino alla posizione di riposo finale dopo l'azionamento. L'extra corsa viene misurata direttamente dalla curva di corsa e rappresenta lo spostamento massimo oltre la posizione di riposo che i contatti raggiungono durante il funzionamento.
Analogamente, il rimbalzo viene misurato dallo spostamento minimo, dopo lo spostamento massimo (extra corsa), fino alla posizione di riposo finale dei contatti. La Figura 1 mostra alcuni esempi dei parametri che possono essere misurati con un trasduttore di corsa. È possibile determinare altri parametri, ma sono tutti derivati della misurazione della corsa effettiva dei contatti; per questo motivo è importante collegare correttamente il trasduttore e misurare la corsa con precisione.
Figura 1: tipica traccia di movimento
Tipi di trasduttore e parametri necessari per misurazioni corrette
Vengono utilizzati due tipi di trasduttori per misurare la corsa dei contatti degli interruttori automatici: lineari e rotanti. Un trasduttore lineare misura una lunghezza in pollici o millimetri, mentre un trasduttore rotante misura un angolo, generalmente in gradi, che deve essere convertito in una misura di lunghezza. Esistono vari tipi di trasduttore, tra cui resistivo, ottico e magnetico; i risultati che possono fornire sono analogici o digitali.
I trasduttori lineari sono disponibili in lunghezze che vanno da 25 mm o meno, comunemente utilizzati per gli interruttori automatici a vuoto, fino a 1000 mm o più. Le lunghezze tipiche vanno da 225 a 300 mm per gli interruttori automatici SF6 con involucro a terra e da 500 a 600 mm per gli interruttori automatici a olio. Durante la fase di preparazione delle misurazioni del movimento, è necessario innanzitutto decidere se utilizzare un trasduttore rotante o lineare. Sebbene molti interruttori consentano l'uso di entrambe le tipologie, il produttore spesso indica una preferenza e si raccomanda sempre di utilizzare il punto di attacco, il tipo di trasduttore e, se necessario, il fattore di conversione specificati dal produttore.
ATTENZIONE! Prima di collegare il trasduttore, assicurarsi sempre che l'interruttore automatico sia in posizione aperta. Assicurarsi che nel meccanismo non vi sia energia immagazzinata o, nel caso in cui non sia possibile scaricare completamente l'energia, come avviene con alcuni meccanismi pneumatici e idraulici, verificare che il perno di sicurezza per il blocco del funzionamento sia correttamente inserito. Infine, scollegare l'alimentazione dal circuito di controllo. Indipendentemente dalla posizione del trasduttore, nessuna parte di questo, della staffa di montaggio o dell'asta di movimento (se utilizzata) deve trovarsi nel percorso diretto di eventuali parti mobili dell'interruttore che potrebbero danneggiare il trasduttore o i suoi accessori.
Se si utilizza un trasduttore lineare, questo deve avere una lunghezza adeguata a coprire l'intera corsa prevista, inclusa l'extra corsa, sia nelle operazioni di chiusura che di apertura. Quando non è sicuro che il trasduttore abbia una lunghezza adeguata, una pratica comune consiste nel fissare il trasduttore, ad esempio, nella posizione di apertura o chiusura, quindi staccarlo e azionare l'interruttore automatico affinché cambi stato. Successivamente, è possibile provare a riattaccare il trasduttore per verificare che abbia una lunghezza adeguata. Una volta selezionato un trasduttore di lunghezza adeguata, occorre verificare che si adatti allo spazio disponibile.
Esistono due tipi di misurazioni eseguite con i trasduttori lineari, la prima è la misurazione diretta, come mostrato nella Figura 2, in cui il trasduttore o l'asta di collegamento sono collegati direttamente ai contatti mobili. Le misurazioni dirette sono comuni in caso di interruttori automatici a olio, a olio minimo, nella maggior parte degli interruttori a vuoto e in alcuni interruttori SF6 con involucro a terra. Sebbene sia difficile trovare una staffa di montaggio adatta e montare correttamente il trasduttore, la misurazione diretta è utile perché la corsa effettiva del trasduttore è uguale alla corsa effettiva dei contatti. Non è necessario alcun fattore di conversione e tutti i parametri misurati rappresentano direttamente il movimento dei contatti nell'interruttore automatico; il movimento non subisce distorsioni causate da ingranaggi, collegamenti o giochi meccanici nelle interconnessioni.
Figura 2: interruttore automatico a olio con collegamento lineare diretto
Il secondo tipo di misurazione con un trasduttore lineare è la misurazione indiretta, come illustrato nella Figura 3. Il trasduttore non è collegato direttamente ai contatti mobili, ma a una parte dell'interruttore automatico collegata ai contatti mobili, come il collegamento di interconnessione o del meccanismo. Quando si utilizza questo tipo di misurazione, la corsa del trasduttore può essere uguale o meno alla corsa dei contatti principali. Se la corsa del trasduttore è diversa, è necessario utilizzare un fattore di conversione per ottenere la lunghezza e i parametri di corsa corretti. Ad esempio, se il fattore di conversione è 1,5, 80 mm di corsa del trasduttore sarebbero equivalenti a 120 mm di corsa del contatto.
Figura 3: interruttore automatico SF6 con involucro a terra e collegamento lineare indiretto
Quando si utilizza un trasduttore rotante, la misurazione avviene in gradi, o occasionalmente in radianti, e deve essere convertita in un'unità di lunghezza. Esistono due tipi di conversione. La prima è una conversione costante in cui un grado corrisponde a una determinata lunghezza lungo l'intera corsa dei contatti. Questo è un fenomeno comune quando il collegamento meccanico è semplice e con pochi componenti di interconnessione. Quando il collegamento è più complesso, il rapporto tra l'angolo e la lunghezza potrebbe non essere costante lungo l'intera corsa dei contatti. Ad esempio, un grado può corrispondere a 1,5 mm per i primi dieci gradi, mentre per i successivi dieci gradi potrebbe corrispondere a 2,5 mm. In questi casi è necessario utilizzare una tabella di conversione.
I trasduttori rotanti hanno il vantaggio di essere di dimensioni relativamente piccole e, integrandolo con opportuni accessori, un unico kit può essere utilizzato con interruttori automatici di molti tipi e stili diversi. Lo svantaggio dei trasduttori rotanti è che è sempre necessario un fattore di conversione o una tabella per calcolare i parametri corretti per l'interruttore automatico. Se il fattore di conversione o la tabella non sono inclusi nel manuale, contattare il produttore dell'interruttore. I trasduttori rotanti sono più comunemente utilizzati sugli interruttori automatici SF6 con involucro a tensione, ma vengono utilizzati anche su alcuni tipi di interruttori automatici SF6 con involucro a terra, a olio e del generatore. Vedere le Figure 4 e 5 per alcuni esempi di collegamenti del trasduttore rotante.
Figura 4: trasduttore rotante sull'interruttore automatico a serbatoio in tensione SF6 – l'immagine va qui
Figura 5: trasduttore rotante sull'interruttore automatico SF6 con involucro a terra – l'immagine va qui
Una volta selezionato il trasduttore corretto e determinato il fattore di conversione (se necessario), la maggior parte dei parametri quali corsa, extra corsa, rimbalzo e penetrazione, verranno automaticamente derivati dalle misurazioni. Un'eccezione è la velocità; per calcolare la velocità, è necessario indicare all'analizzatore in quale punto della curva della corsa deve essere misurata. Vengono selezionati due punti sulla curva e viene calcolata la velocità media tra questi punti. I punti scelti possono fare riferimento a molti punti diversi sulla curva, come la distanza dopo la chiusura, la distanza prima dell'apertura, la percentuale della corsa, la distanza dopo il punto superiore, ecc.
Un altro punto di riferimento comune è un evento durante la temporizzazione, come il contatto o la separazione dei contatti. I due fattori più importanti che influenzano la selezione dei punti di calcolo della velocità riguardano il fatto che la velocità venga misurata su una porzione lineare della curva della corsa e che venga misurata durante la zona dell'arco. I punti di calcolo sono quindi generalmente vicini al contatto per l'operazione di chiusura e alla separazione dei contatti per l'operazione di apertura.
Un errore comune durante il calcolo della velocità è prendere la distanza totale (corsa) e dividerla per il tempo totale necessario affinché i contatti raggiungano la posizione completamente chiusa. Ciò determina la velocità media per la corsa totale, NON la velocità durante la zona dell'arco. L'accelerazione all'inizio della corsa e la decelerazione alla fine maschereranno la velocità istantanea intorno alla zona dell'arco.
I punti di calcolo della velocità possono variare in base al produttore, al tipo di interruttore automatico, al tipo di meccanismo e così via, ma è necessario seguire i consigli del produttore per selezionare i corretti punti di calcolo della velocità. Queste informazioni sono generalmente disponibili nel manuale o nel report dei test originale fornito con l'interruttore automatico. Se non vengono fornite informazioni, si consiglia di utilizzare il punto di contatto e la distanza di 10 ms a valle per calcolare la chiusura e il punto di separazione e la distanza di 10 ms a monte per calcolare l'apertura.
Vedere la Tabella 1 per un elenco dei tipi di trasduttore comuni e dei punti di calcolo della velocità utilizzati da diversi produttori, ma tenere presente che è sempre necessario consultare il produttore o il manuale per determinare i punti di calcolo corretti del trasduttore e della velocità.
Tabella 1: tipologie comuni di trasduttori e punti di calcolo della velocità
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La seconda parte di questo articolo, che sarà pubblicata in una futura edizione di Electrical Tester, includerà un caso di studio delle indagini condotte su un interruttore automatico Siemens SPS2-38-40-2 e analizzerà anche le azioni da intraprendere quando sono disponibili poche o nessuna informazione a supporto delle misurazioni della corsa fornite dal produttore dell'interruttore.
