Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi

Reti elettriche: teoria e Reti elettriche: teoria e applicazioni.applicazioni.Interruttori.Interruttori.

Paolo PelacchiPaolo Pelacchi

reti elettriche - interruttori 2

InterruttoriInterruttori

- 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.



- 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.



- 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






Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche 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)


Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche 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.



- 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.


Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche dell’arco elettrico- Caratteristica statica (regime stazionario) dell’arco per differenti

valori di lunghezza (resistenza negativa).


Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche dell’arco elettrico- In un circuito in cc senza resistenza l’arco è instabile (caratteristica

statica).


Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche 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…


Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche 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.)



- Caratteristica dinamica dell’arco in corrente alternata.


Caratteristiche dell’arco elettricoCaratteristiche dell’arco elettrico- Costruzione grafica della tensione d’arco in corrente alternata.



- 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.


Interruzione dell’arco elettricoInterruzione 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.


Interruzione dell’arco elettrico in caInterruzione 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.



- Curve di ripristino della rigidità dielettrica.

- La tensione di ripristino assume un valore diverso da 0 già un s dopo l’estinzione dell’arco.



- 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).



- 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.



- L’equazione di equilibrio del circuito elettrico sarà

cosM r

diE t R i L v

dt

Le cui condizioni iniziali sono

(0) 0

(0) 0r

i

v

con

rdvi C

dt



- Di conseguenza l’equazione di equilibrio diventa

2

2cos r r

M r

dv d vE t R C L C v

dt dt

La cui soluzione è la somma di un integrale generale ed uno particolare

( ) ( ) ( )r rg rpv t v t v t

L’integrale generale si ottiene risolvendo l’omogenea associata

2

20rg rg

rg

d v dvL C R C v

dt dt



Risolvendo l’equazione algebrica caratteristica e ipotizzando che

1

2

R

L L C

Si ottiene

( ) ( )trg nv t K e sen t

Dove

21

n

R

L

L C



- Applicando le condizioni iniziali e risolvendo si ottengono le due costanti di integrazione

2

MK E

E quindi in definitiva

( ) cos costrg M M nv t E t e E t



Come integrale particolare può essere assunta la condizione di regime permanente finale trascurando le cadute nella resistenza e nella induttanza.

( ) cosrp Mv t E t



La soluzione finale risulta in definitiva la seguente

( ) cos costr M M nv t E t E e t

- La frequenza dell’oscillazione libera fn è molto maggiore di quella industriale

- La tensione max in assenza di smorzamento è 2EM


Interruttori in ariaInterruttori in aria- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.


- Funzionamento di un interruttore in aria.

Interruttori in ariaInterruttori in aria


Interruttori ad aria compressaInterruttori ad aria compressa- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.


Interruttori in SFInterruttori in SF66

- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.







Documents

Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi