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Reti elettriche: teoria e applicazioni.
Interruttori.
Paolo Pelacchi
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.
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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.
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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
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Interruttori
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Interruttori
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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)
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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.
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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.
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Caratteristiche dell’arco elettrico
- Caratteristica statica (regime stazionario) dell’arco per differenti
valori di lunghezza (resistenza negativa).
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Caratteristiche dell’arco elettrico
- In un circuito in cc senza resistenza l’arco è instabile (caratteristica
statica).
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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…
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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.)
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Caratteristiche dell’arco elettrico
- Caratteristica dinamica dell’arco in corrente alternata.
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Caratteristiche dell’arco elettrico
- Costruzione grafica della tensione d’arco in corrente alternata.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Interruzione dell’arco elettrico in ca
- L’equazione di equilibrio del circuito elettrico sarà
di
EM  cos  t  R  i  L  vr
dt
Le cui condizioni iniziali sono
i (0)  0
vr (0)  0
con
dvr
i C
dt
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Interruzione dell’arco elettrico in ca
- Di conseguenza l’equazione di equilibrio diventa
dvr
d 2vr
EM  cos  t  R  C 
 L  C  2  vr
dt
dt
La cui soluzione è la somma di un integrale generale ed uno particolare
vr (t )  vrg (t )  vrp (t )
L’integrale generale si ottiene risolvendo l’omogenea associata
L C 
d 2 vrg
dt
2
 R C 
dvrg
dt
 vrg  0
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Interruzione dell’arco elettrico in ca
Risolvendo l’equazione algebrica caratteristica e ipotizzando che
R
2 L
1
L C
Si ottiene
vrg (t )  K  e
  t
 sen(n  t   )
Dove
R

2 L
1
n 
L C
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Interruzione dell’arco elettrico in ca
- Applicando le condizioni iniziali e risolvendo si ottengono le
due costanti di integrazione


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K   EM
E quindi in definitiva
vrg (t )  EM  cos   t  et  EM  cos n  t
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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.
vrp (t )  EM  cos   t
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Interruzione dell’arco elettrico in ca
La soluzione finale risulta in definitiva la seguente
vr (t )  EM  cos   t  EM  e   t  cos  n  t
- La frequenza dell’oscillazione libera fn è molto maggiore di quella industriale
- La tensione max in assenza di smorzamento è 2EM
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Interruttori in aria
- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.
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Interruttori in aria
- Funzionamento di un interruttore in aria.
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Interruttori ad aria compressa
- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.
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Interruttori in SF6
- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.
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Interruttori in SF6
- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.
reti elettriche - interruttori
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Interruttori in SF6
- Principali caratteristiche e principi di funzionamento.
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