Intervento in derivazione e sgancio da sottotensione: Selezione, cablaggio, modalità di guasto nei quadri MT

Gli interruttori di media tensione necessitano di dispositivi ausiliari per avviare l'apertura in condizioni anomale. I meccanismi dominanti sono due: il bobina di sgancio shunt e il rilascio da sottotensione (UVR). Entrambi sbloccano il meccanismo di accumulo dell'energia dell'interruttore, ma funzionano secondo una logica elettrica fondamentalmente opposta. Un interruttore in derivazione si eccita per scattare. Uno sgancio per sottotensione si diseccita per scattare.

Questa relazione inversa determina la topologia del circuito di controllo, il comportamento in caso di guasto, la filosofia di sicurezza e la strategia di manutenzione. Gli ingegneri che trattano questi dispositivi come intercambiabili rischiano di progettare sistemi che si guastano pericolosamente o che scattano in modo anomalo durante il normale funzionamento.

Principi operativi fondamentali: Energizzare al viaggio vs. De-energizzare al viaggio

La distinzione fondamentale sta nella logica di funzionamento elettrico e nel comportamento in caso di guasto.

Bobina di sgancio shunt: Energia per l'intervento

La bobina di sgancio shunt rimane diseccitata durante il normale funzionamento dell'interruttore. Quando la tensione di controllo - tipicamente 110 V CC o 220 V CA nelle applicazioni MT - eccita il solenoide, la forza elettromagnetica rilascia il fermo dell'interruttore. La bobina richiede solo un'eccitazione momentanea, in genere 50-100 ms, per completare la sequenza di sgancio.

La messa in servizio sul campo nelle sottostazioni industriali documenta tempi di risposta di 20-50 ms dall'eccitazione della bobina alla separazione dei contatti. Le bobine di sgancio consumano 50-200 W durante il funzionamento, con una corrente di spunto che raggiunge 5-10 volte i valori di stato stazionario. Secondo la norma IEC 62271-100, i circuiti ausiliari devono funzionare in modo affidabile a 85-110% della tensione nominale di controllo.

Rilascio di sottotensione: De-energizzazione-ripresa

Lo sblocco per sottotensione funziona in modo inverso. La bobina rimane continuamente eccitata durante il normale funzionamento, mantenendo un fermo meccanico a molla nella posizione di blocco. Quando la tensione di alimentazione scende al di sotto della soglia di prelievo, tipicamente 35-70% della tensione nominale, la molla supera la tenuta elettromagnetica indebolita e fa scattare l'interruttore.

I test rivelano tempi di caduta dell'UVR di 15-40 ms dopo il crollo della tensione al di sotto della soglia. Il consumo di energia continua varia da 5 a 15 W, creando una richiesta di energia ausiliaria continua che gli sganci in derivazione evitano.

Comprensione Come funzionano gli interruttori sottovuoto fornisce un contesto essenziale, poiché entrambi i dispositivi si integrano con il meccanismo di funzionamento a molla del VCB attraverso la stessa interfaccia della barra di intervento.

Intervento in derivazione e rilascio di sottotensione: Confronto diretto

La distinzione della polarizzazione dei guasti guida la maggior parte delle decisioni di selezione. Gli interruttori shunt falliscono verso il non funzionamento: l'interruttore rimane chiuso quando dovrebbe aprirsi. I relè UVR si guastano verso il funzionamento: l'interruttore si apre quando non c'è un guasto effettivo. Nessuno dei due è universalmente superiore; l'applicazione determina quale modalità di guasto è accettabile.

Criteri di selezione: Abbinare il dispositivo all'applicazione

Quando specificare un intervento in derivazione

Le bobine di sgancio shunt sono adatte ad applicazioni in cui:

• Possibilità di intervento a distanza è necessario senza un consumo continuo di energia
• Più fonti di viaggio devono essere collegati in parallelo in un unico dispositivo (relè di protezione, allarmi antincendio, pulsanti di emergenza)
• La disponibilità di potenza di controllo è incerta e l'interruttore deve rimanere chiuso a meno che non venga comandato esplicitamente di aprirlo.
• Si devono evitare gli inciampi fastidiosi-I brevi cali di tensione non devono aprire l'interruttore.

Le installazioni tipiche includono interruttori per generatori con protezione dall'inversione di corrente, sezionatori per pompe antincendio con interblocchi per sistemi sprinkler e alimentatori per trasformatori con ingressi per relè a pressione improvvisa.

Quando specificare il rilascio di sottotensione

Gli sganci per sottotensione sono adatti ad applicazioni in cui:

• L'intervento a prova di guasto è obbligatorio-La perdita di potenza di controllo deve garantire l'apertura dell'interruttore.
• Interblocchi di sicurezza richiedono l'intervento dell'interruttore in caso di apertura di un qualsiasi contatto in serie (interruttori a chiave, interblocchi delle porte, PLC di sicurezza)
• Blocco della manutenzione dovrebbe impedire la chiusura dell'interruttore quando i circuiti di controllo sono isolati
• Protezione dei processi critici richiede la disconnessione immediata in caso di perdita di potenza incontrollata

Le installazioni tipiche includono alimentatori di motori che richiedono uno spegnimento sicuro in caso di guasto del controllo, interruttori di collegamento tra bus indipendenti e interruttori di isolamento in aree ad alto rischio.

[Expert Insight: Filosofia di selezione]

• Gli impianti petrolchimici di solito richiedono l'UVR per gli alimentatori dei motori nelle aree classificate: la perdita di potenza di controllo deve garantire lo spegnimento delle apparecchiature.
• I data center spesso preferiscono gli shunt trip per evitare interruzioni a cascata dovute a transitori di alimentazione di controllo.
• Quando entrambi i dispositivi sono presenti sullo stesso interruttore, verificare che la logica di controllo tenga conto della loro interazione; specificare entrambi senza una chiara separazione funzionale crea confusione nella manutenzione.
• Confermare sempre l'indipendenza della sorgente di tensione di controllo dal circuito da proteggere.

Configurazioni di cablaggio per l'integrazione dei quadri MT

Circuito di intervento in derivazione

Un circuito di sgancio di base è costituito da:

• Sorgente di tensione di controllo (CA o CC, corrispondente alla potenza della bobina)
• Contatto iniziale (normalmente aperto) da relè di protezione o interruttore manuale
• Contatto ausiliario (52a) in serie per interrompere la corrente della bobina dopo il completamento dell'intervento
• Protezione della bobina (snubber RC per DC, MOV per AC)

[+DC] ──┬── [Relè di protezione NO] ── [52a Aux] ── [Bobina Shunt] ── [-DC]
        │
        └── [Sgancio manuale PB NO] ─────────────────────┘

Il contatto ausiliario 52a si apre quando l'interruttore scatta, interrompendo la corrente attraverso la bobina. Senza questo contatto, la bobina rimane continuamente sotto tensione se il contatto di innesco scatta, causando la distruzione termica in pochi secondi.

Circuito di rilascio per sottotensione

Un circuito UVR di base è costituito da:

• Sorgente di tensione di controllo (deve essere affidabile; la sua perdita provoca l'intervento)
• Contatti in serie per l'attivazione intenzionale dello scatto (ogni contatto che si apre provoca lo scatto)
• Relè a tempo (opzionale) per superare brevi cali di tensione

[+DC] ── [Interruttore di controllo principale] ── [Interblocco di sicurezza NC] ── [Bobina UVR] ── [-DC]

Ogni contatto normalmente chiuso in serie rappresenta una condizione di intervento. L'apertura di un qualsiasi contatto fa cadere la tensione sull'UVR, innescando l'apertura dell'interruttore.

Note critiche sulla progettazione

Le bobine CC e CA non sono intercambiabili. Le bobine in c.c. su servizio in c.a. emettono vibrazioni a causa della mancanza di anelli di schermatura. Le bobine in c.a. su servizio in c.c. si surriscaldano perché mancano di impedenza per limitare la corrente. Verificare sempre che la tensione nominale della bobina corrisponda esattamente al tipo di alimentazione.

Per una guida autorevole sulla verifica dei dispositivi ausiliari, consultare IEEE C37.09 che copre le procedure di prova degli interruttori automatici.

Analisi delle modalità di guasto

La comprensione delle modalità di guasto informa sia la selezione che la strategia di manutenzione.

Modalità di guasto degli interruttori shunt

Pregiudizio di fallimento netto: Gli interruttori in derivazione si guastano verso il non funzionamento. L'interruttore rimane chiuso quando dovrebbe aprirsi.

Modalità di guasto del rilascio di sottotensione

Pregiudizio di fallimento netto: I guasti elettrici dell'UVR causano in genere interventi spuri. I guasti meccanici possono impedire l'intervento, una condizione meno comune ma più pericolosa.

Gli ingegneri che selezionano i componenti da un'azienda rinomata produttore di interruttori automatici sottovuoto deve verificare che le opzioni del dispositivo ausiliario soddisfino i requisiti specifici di tensione e di interfaccia meccanica.

[Expert Insight: Osservazioni sui guasti sul campo].

• L'esaurimento della bobina dello shunt è più comunemente dovuto a contatti ausiliari 52a mancanti o guasti; verificare sempre il funzionamento dei contatti ausiliari durante la messa in servizio.
• Gli interventi di disturbo dell'UVR sono spesso riconducibili al dimensionamento del trasformatore di controllo; la corrente di mantenimento continua dell'UVR può causare una caduta di tensione al di sotto della soglia di caduta durante l'avvio del motore sullo stesso bus di controllo.
• In ambienti ad alta umidità, i meccanismi delle molle UVR mostrano un legame con la corrosione dopo 8-12 anni; le installazioni costiere richiedono ispezioni più frequenti.
• La misurazione della resistenza della bobina durante la manutenzione ordinaria fornisce un avviso precoce del degrado dell'avvolgimento prima del guasto completo

Realtà sul campo: Manutenzione e fattori ambientali

Effetti della temperatura

La resistenza della bobina aumenta con la temperatura, riducendo la forza di mantenimento (UVR) o di intervento (shunt trip). A temperature ambientali elevate, la tensione di caduta dell'UVR aumenta, causando potenzialmente interventi fastidiosi durante i picchi estivi. Al contrario, gli ambienti freddi addensano i lubrificanti sui collegamenti meccanici, aumentando l'attrito e potenzialmente vincolando i meccanismi di intervento.

Intervalli di manutenzione

Per bobine di sgancio in derivazione:

• Test funzionale ogni 1-3 anni (iniettare il segnale, verificare lo scatto)
• Misura della resistenza della bobina per rilevare il degrado dell'avvolgimento
• Esame visivo dei collegamenti e dei contatti ausiliari
• Verificare l'integrità dello snubber RC o del MOV

Per gli sganci da sottotensione:

• Il test funzionale richiede la disattivazione temporanea del circuito di controllo.
• Verifica della tensione di pickup e dropout con sorgente variabile
• Ispezione del meccanismo a molla per verificare la presenza di fatica o corrosione
• Monitoraggio della fonte di alimentazione di controllo per la stabilità della tensione

Le procedure di manutenzione devono integrarsi con quelle più ampie programmi per componenti di quadri elettrici per garantire una copertura sistematica di tutti i dispositivi ausiliari.

Errori di specifica da evitare

1. Specificare entrambi i dispositivi senza comprendere l'interazione. Anche se meccanicamente possibile, la doppia installazione richiede una logica di controllo indipendente. Le loro modalità di guasto si sommano anziché completarsi a vicenda.
2. Ignorare il ciclo di funzionamento della bobina di sgancio shunt. Gli sganciatori sono di tipo momentaneo. I circuiti di controllo che mantengono il segnale di scatto senza interruzione distruggono la bobina. Includere sempre un contatto ausiliario da 52a o un timer elettronico a impulsi.
3. Sottodimensionamento della potenza di controllo per la corrente di mantenimento UVR. I rilasci per sottotensione assorbono corrente continua. Se il trasformatore di controllo ha una capacità marginale, la caduta di tensione può causare una caduta spuria durante i transitori di carico.
4. Disadattamento dei tipi di bobina CA e CC. Le bobine in c.a. sono dotate di anelli di schermatura per evitare le vibrazioni. Le bobine in corrente continua non dispongono di questa caratteristica e vibrano in modo distruttivo con l'alimentazione in corrente alternata.
5. Omissione dei dispositivi di protezione della bobina. Il contraccolpo induttivo durante la diseccitazione danneggia i contatti di controllo. Gli snubbers RC (DC) o i MOV (AC) prolungano notevolmente la durata dei contatti e dei relè.

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XBRELE produce interruttori in vuoto e componenti per quadri elettrici con piena compatibilità con i dispositivi ausiliari. Il nostro team di ingegneri fornisce:

• Verifica delle specifiche di intervento in derivazione e UVR per i requisiti della vostra applicazione
• Revisione della progettazione del circuito di controllo per prevenire gli errori di integrazione più comuni
• Corrispondenza tra tensione nominale e tipo di bobina nella nostra gamma di prodotti VCB
• Documentazione tecnica a supporto dei programmi di messa in servizio e manutenzione

Comprensione tecnologia di interruzione del vuoto aiuta a contestualizzare il modo in cui i dispositivi di intervento ausiliari si integrano con i componenti di interruzione primari nei moderni quadri MT.

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Domande frequenti

D: Posso installare sia uno sgancio in derivazione che uno sgancio per sottotensione sullo stesso interruttore?
R: La maggior parte degli interruttori MT è in grado di gestire meccanicamente entrambi i dispositivi, ma la logica di controllo diventa complessa e richiede un attento coordinamento per evitare segnali di intervento contrastanti o confusione nella manutenzione durante i test.

D: Cosa succede se si utilizza una bobina in corrente continua su un'alimentazione di controllo in corrente alternata?
R: La bobina emette un rumore continuo perché le bobine in c.c. non hanno gli anelli di ombreggiamento che le bobine in c.a. utilizzano per mantenere la forza magnetica attraverso i punti di incrocio zero, con conseguente rapida usura meccanica e potenziali danni al meccanismo.

D: Come si fa a testare una bobina di sgancio in derivazione senza provocare un effettivo sgancio dell'interruttore durante il funzionamento?
R: Molti produttori forniscono terminali di prova isolati che consentono di verificare l'eccitazione della bobina attraverso la misurazione della corrente senza attivare il blocco di sgancio meccanico; consultare la documentazione specifica dell'interruttore per verificare la disponibilità di porte di prova.

D: Perché il mio UVR provoca scatti fastidiosi durante l'avvio del motore su alimentatori adiacenti?
R: È probabile che il trasformatore di controllo subisca un calo di tensione al di sotto della soglia di caduta dell'UVR durante lo spunto del motore; le soluzioni comprendono un'alimentazione di controllo dedicata, un trasformatore più grande o l'aggiunta di un relè con ritardo di 0,5-2 secondi.

D: Qual è la durata tipica dei dispositivi di sgancio ausiliari nei quadri MT?
R: Le bobine di sgancio in derivazione raggiungono in genere 5.000-10.000 operazioni o 15-20 anni in condizioni di servizio normali, mentre le bobine UVR possono richiedere la sostituzione prima a causa dell'eccitazione continua e dello stress termico associato.

D: Quale dispositivo è migliore per le applicazioni di arresto di emergenza?
R: Lo sganciatore shunt è generalmente preferito per l'arresto di emergenza perché richiede l'applicazione di un segnale attivo per l'intervento; l'UVR causerebbe interventi spuri se il cablaggio dell'arresto di emergenza è danneggiato, scollegato o perde alimentazione per qualsiasi motivo.

D: L'alimentazione del controllo UVR deve provenire dallo stesso bus che protegge l'interruttore?
R: In generale, evitare questa topologia: se l'UVR fa scattare l'interruttore che alimenta il proprio trasformatore di controllo, si verifica una condizione di blocco in cui l'interruttore non può richiudersi senza un ripristino dell'alimentazione esterna.