Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi

1. Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi

2. Interruttori • L’interruttore è un dispositivo che, come dice la parola, deve interrompere un circuito e/o una corrente. • Il suo funzionamento può essere manuale (anche da remoto) o automatico: • Nel caso di funzionamento manuale esso viene comandato direttamente da un operatore • Nel caso di funzionamento automatico esso viene comandato da uno o più relé che si attivano al verificarsi di eventi predeterminati: in tal caso si parla di sistema di protezione • La presente trattazione è relativa solamente al componente che interrompe il circuito. reti elettriche - interruttori

3. Interruttori • Le funzioni che devono essere svolte da un interruttore sono: • Isolare i due circuiti a monte e a valle dei contatti (aperto) durante buona parte della propria vita • Sopportare la corrente nominale (chiuso) durante la rimanente parte della propria vita • Interrompere le correnti di pieno carico frequentemente • Interrompere le correnti di cto cto un numero limitato di volte • I principi di funzionamento si basano sulle modalità di controllo dello spegnimento dell’arco. reti elettriche - interruttori

4. Interruttori • Dal punto di vista funzionale gli interruttori si possono classificare come: • Ad alta resistenza d’arco • A bassa resistenza d’arco • Dal punto di vista tecnologico gli interruttori si possono classificare nel seguente modo: • In olio • In aria • Ad aria compressa • Sotto vuoto • In SF6 reti elettriche - interruttori

5. Interruttori reti elettriche - interruttori

6. Interruttori reti elettriche - interruttori

7. Caratteristiche dell’arco elettrico • Nella fase di apertura la superficie dei contatti tende a ridursi progressivamente con un conseguente aumento della densità di corrente. Come conseguenza la temperatura aumenta fino a valori estremamente elevati provocando l’innesco ed il successivo sviluppo dell’arco. Il fenomeno è molto complesso e dipende da numerosi fattori (natura del mezzo, materiale e velocità di allontanamento dei contatti, ecc.). • Nell’arco sono identificabili sostanzialmente tre zone: • Zona catodica (potenziale negativo) • Colonna positiva • Zona anodica (potenziale positivo) reti elettriche - interruttori

8. Caratteristiche dell’arco elettrico • Zona catodica: emette elettroni che in parte migrano verso l’arco ed in parte generano per collisione altri elettroni e ioni i quali (ioni) ricadendo sull’elettrodo contribuiscono a mantenerne la temperatura. • Colonna positiva: elettricamente neutra; costituita da plasma (atomi, ioni, elettroni, vapori metallici dei contatti). • Zona anodica: collettrice di elettroni; produce ioni positivi prodotti per collisione mantenendo elettricamente neutra la colonna. reti elettriche - interruttori

9. Caratteristiche dell’arco elettrico • Caratteristica volt-amperometrica: curva che riporta i valori di tensione necessari a mantenere stabile l’arco al variare della corrente. • La caratteristica dell’arco può essere suddivisa in • Caratteristica statica, che riporta i valori della tensione d’arco necessari a sostenere in maniera stabile l’arco stesso in condizioni di regime. • Caratteristica dinamica, che riporta i valori della tensione d’arco necessari a sostenere in maniera stabile l’arco stesso in condizioni di variazione nel tempo della corrente o della lunghezza d’arco. reti elettriche - interruttori

10. Caratteristiche dell’arco elettrico • Caratteristica statica (regime stazionario) dell’arco per differenti valori di lunghezza (resistenza negativa). reti elettriche - interruttori

11. Caratteristiche dell’arco elettrico • In un circuito in cc senza resistenza l’arco è instabile (caratteristica statica). reti elettriche - interruttori

12. Caratteristiche dell’arco elettrico • In un circuito in cc in presenza di una resistenza l’arco si stabilizza (caratteristica statica). f1= Ua f2 = E-RI Il punto di equilibrio stabile è P2. Infatti se I aumenta f2 diminuisce più di f1 e la corrente è costretta a ridursi… reti elettriche - interruttori

13. Caratteristiche dell’arco elettrico • In un circuito in cc la caratteristica dinamica dell’arco è riportata in figura. L’arco si innesca per una tensione Ui e la Ua decresce progressivamente al crescere della corrente. Quando la corrente inizia a decrescere la tensione Ua torna a crescere raggiungendo però valori inferiori a parità di corrente; l’estinzione avviene per una tensione Ue < Ui. Di fatto è come se fosse presente una inerzia (termica, elettromagnetica, ecc.) reti elettriche - interruttori

14. Caratteristiche dell’arco elettrico • Caratteristica dinamica dell’arco in corrente alternata. reti elettriche - interruttori

15. Caratteristiche dell’arco elettrico • Costruzione grafica della tensione d’arco in corrente alternata. reti elettriche - interruttori

16. Caratteristiche dell’arco elettrico • Andamento temporale della tensione d’arco in corrente alternata; tensione e corrente risultano essere praticamente “in fase” da cui deriva che l’arco viene in genere considerato una resistenza. reti elettriche - interruttori

17. Interruzione dell’arco elettrico • L’interruzione dell’arco elettrico è il processo che permette di interrompere la corrente che sostiene l’arco. Il processo ha due modalità differenti in conseguenza del fatto che si sviluppi in cc o in ca. • Interruzione in ca: viene sfruttato l’annullamento della corrente che determina uno spegnimento naturale dell’arco; si deve successivamente evitare che l’arco si riadeschi. • Interruzione in cc: in questo caso non si può sfruttare l’annullamento della corrente; si agisce quindi sull’allungamento dell’arco. • Nella trattazione accenneremo solamente al caso di interruzione in ca. reti elettriche - interruttori

18. Interruzione dell’arco elettrico in ca • L’interruzione dell’arco elettrico in ca risulta essere facilitata dal fatto che la corrente nel circuito si annulla ad ogni semiperiodo. Di conseguenza l’obiettivo del processo di interruzione è quello di evitare il riadescamento dell’arco stesso. • Negli istanti immediatamente seguenti lo spegnimento l’aria nella zona interessata dal fenomeno è fortemente ionizzata e per tale motivo non ha ancora riacquistato la rigidità dielettrica originaria. Di conseguenza il valore della tensione necessaria al riadescamento aumenta progressivamente nel tempo fino a tornare al valore iniziale (curva di ripristino) • Ovviamente la curva di ripristino è anche funzione della distanza fra i contatti. reti elettriche - interruttori

19. Interruzione dell’arco elettrico in ca • Curve di ripristino della rigidità dielettrica. • La tensione di ripristino assume un valore diverso da 0 già un s dopo l’estinzione dell’arco. reti elettriche - interruttori

20. Interruzione dell’arco elettrico in ca • E’ evidente che, al fine di evitare il riadescamento dell’arco negli istanti successivi alla sua estinzione, la tensione di ripristino deve essere sempre superiore alla tensione che si stabilisce ai morsetti dell’interruttore (tensione di ristabilimento). reti elettriche - interruttori

21. Interruzione dell’arco elettrico in ca • Supponiamo di fare riferimento ad un guasto in prossimità dell’interruttore con l’obiettivo di valutare la tensione di ristabilimento ai contatti negli istanti immediatamente successivi alla interruzione della corrente di guasto (spegnimento dell’arco). • Per studiare il fenomeno si può analizzare la risposta del circuito R-L-C di figura. reti elettriche - interruttori

22. Interruzione dell’arco elettrico in ca • L’equazione di equilibrio del circuito elettrico sarà Le cui condizioni iniziali sono con reti elettriche - interruttori

23. Interruzione dell’arco elettrico in ca • Di conseguenza l’equazione di equilibrio diventa La cui soluzione è la somma di un integrale generale ed uno particolare L’integrale generale si ottiene risolvendo l’omogenea associata reti elettriche - interruttori

24. Interruzione dell’arco elettrico in ca Risolvendo l’equazione algebrica caratteristica e ipotizzando che Si ottiene Dove reti elettriche - interruttori

25. Interruzione dell’arco elettrico in ca - Applicando le condizioni iniziali e risolvendo si ottengono le due costanti di integrazione E quindi in definitiva reti elettriche - interruttori

26. Interruzione dell’arco elettrico in ca Come integrale particolare può essere assunta la condizione di regime permanente finale trascurando le cadute nella resistenza e nella induttanza. reti elettriche - interruttori

27. Interruzione dell’arco elettrico in ca La soluzione finale risulta in definitiva la seguente • La frequenza dell’oscillazione libera fn è molto maggiore di quella industriale • La tensione max in assenza di smorzamento è 2EM reti elettriche - interruttori

28. Interruttori in aria • Principali caratteristiche e principi di funzionamento. reti elettriche - interruttori

29. Interruttori in aria • Funzionamento di un interruttore in aria. reti elettriche - interruttori

30. Interruttori ad aria compressa • Principali caratteristiche e principi di funzionamento. reti elettriche - interruttori

31. Interruttori in SF6 • Principali caratteristiche e principi di funzionamento. reti elettriche - interruttori

32. Interruttori in SF6 • Principali caratteristiche e principi di funzionamento. reti elettriche - interruttori

33. Interruttori in SF6 • Principali caratteristiche e principi di funzionamento. reti elettriche - interruttori