Approfondimento TRV/RRRV: Quando è importante (cavi/condensatori) e come specificarlo

Capire TRV e RRRV: lo stress di tensione che segue l'estinzione dell'arco

La tensione di recupero transitoria (TRV) compare sui contatti degli interruttori subito dopo l'estinzione dell'arco durante l'interruzione del guasto. La velocità di salita della tensione di recupero (RRRV), misurata in kV/μs, determina la rapidità con cui si sviluppa questa tensione. Insieme, questi parametri determinano se un interruttore sotto vuoto elimina i guasti con successo o subisce la rottura del dielettrico e la riattivazione.

Quando i contatti si separano e l'arco si spegne a corrente zero, il sistema non torna istantaneamente alle condizioni di stato stazionario. L'interazione tra l'induttanza e la capacità del sistema genera transitori di tensione oscillanti. Le applicazioni sul campo in impianti industriali con reti di cavi estese rivelano valori di picco TRV che raggiungono 1,5-2,5 volte la tensione nominale entro 50-100 μs dopo lo zero di corrente.

La fisica comporta il trasferimento di energia tra i campi magnetici immagazzinati nell'induttanza del sistema e i campi elettrici immagazzinati nella capacità del cavo. Secondo la norma IEC 62271-100, gli interruttori in vuoto da 12 kV devono resistere a picchi di TRV di circa 26,2 kV con valori di RRRV fino a 2,0 kV/μs per condizioni di guasto terminale. I sistemi collegati ai cavi presentano sfide particolari: la bassa impedenza di sovratensione dei cavi (30-50 Ω contro i 300-400 Ω delle linee aeree) accelera notevolmente il recupero della tensione.

La forma d'onda della TRV dipende da tre fattori critici: (1) l'impedenza di sovratensione equivalente Z_s del sistema collegato, (2) la capacità totale C_totale compresa la capacità del cavo (in genere 200-300 pF/m per i cavi XLPE), e (3) l'induttanza di cortocircuito L_sc che determina la frequenza di oscillazione. Il RRRV iniziale può essere approssimato come U_picco × ω, dove ω rappresenta la frequenza angolare naturale del circuito LC.

La rigidità dielettrica della fessura di contatto deve recuperare più velocemente dell'aumento del TRV. Questa corsa avviene in microsecondi. Se la si perde, l'arco si riaccende.

Circuiti alimentati da cavi: Perché i cavi corti creano gravi condizioni di TRV

I sistemi di cavi amplificano la gravità dei TRV grazie alle loro caratteristiche elettriche. A differenza delle linee aeree, che presentano un'elevata impedenza alle sovratensioni, i cavi elettrici presentano percorsi a bassa impedenza che accelerano i transitori di tensione.

Consideriamo un alimentatore industriale da 12 kV con 200 metri di cavo XLPE. L'impedenza di sovratensione del cavo è di circa 40 Ω. Quando si verifica un guasto all'estremità remota, le onde viaggianti si riflettono tra l'interruttore e la posizione del guasto. Il tempo di andata e ritorno per queste riflessioni è di circa 2,5 μs, data la velocità di propagazione del cavo di 160 m/μs. Ogni riflessione sovrappone un'ulteriore sollecitazione di tensione alla fessura di contatto.

La zona di lunghezza critica dei cavi è compresa tra 50 e 500 metri. I cavi più corti producono riflessioni più rapide, a volte prima che l'interruttore a vuoto recuperi completamente la rigidità dielettrica. I cavi più lunghi consentono un maggiore tempo di recupero tra gli arrivi delle riflessioni.

Fattori che peggiorano la TRV del cavo:

• Bassa impedenza di sorgente (sistemi forti con elevata corrente di guasto)
• Cavi multipli in parallelo che riducono l'impedenza di sovratensione effettiva
• Combinazioni cavo-trasformatore che creano condizioni di risonanza
• Scenari di eccitazione del cavo non caricato

L'esperienza sul campo di installazioni di alimentatori per motori rivela uno schema coerente: gli interruttori classificati adeguatamente per i guasti terminali hanno prestazioni marginali quando proteggono tratti di cavo inferiori a 300 metri con correnti di guasto superiori a 15 kA. La RRRV in queste applicazioni raggiunge abitualmente 3-5 kV/μs, ben al di sopra dei requisiti di prova standard T100 di 2,0 kV/μs.

Esempio di lavoro: Alimentatore industriale MCC

Un interruttore sottovuoto da 12 kV alimenta un centro di controllo motori attraverso 150 m di cavo XLPE unipolare:

• Impedenza di sovratensione del cavo: 38 Ω
• Corrente di guasto disponibile: 22 kA simmetrici
• Impedenza di sorgente (trasformatore): 0.8 Ω

RRRV iniziale calcolato: circa 4,2 kV/μs

Questo supera il requisito T100 della norma IEC 62271-100. La capacità T30 dell'interruttore (5,0 kV/μs) fornisce un margine, ma solo se la corrente di guasto effettiva si allinea con l'intervallo di prova.

[Expert Insight: Valutazione TRV del cavo]

• Misurare con precisione le lunghezze effettive dei cavi: le supposizioni basate sui disegni spesso sottostimano il percorso installato.
• Richiedere le curve di capacità TRV del produttore che coprono l'intera gamma di RRRV, non solo la conformità ai requisiti di prova standard.
• Per le tratte di cavo in parallelo, calcolare l'impedenza di sovratensione combinata (si applica la formula dell'impedenza in parallelo)
• I transitori all'avviamento del motore non creano stress al TRV; concentrare l'analisi sugli scenari di interruzione del guasto

Commutazione di banchi di condensatori: rischi di restrike e stress da picco di tensione

La commutazione del condensatore inverte il normale problema del TRV. Il pericolo non risiede nell'interruzione del guasto, ma nella commutazione del carico, in particolare nel fenomeno della riattivazione durante la diseccitazione.

Quando un interruttore a vuoto si apre per scollegare un banco di condensatori, la corrente precede la tensione di 90 gradi. L'interruzione avviene in prossimità del picco di tensione. Il condensatore conserva il picco di carica. Quando la tensione della sorgente oscilla attraverso lo zero e verso la polarità opposta, la fessura di contatto subisce una sollecitazione di quasi 2,0 unità di tensione in un semiciclo.

Il TRV aumenta lentamente rispetto all'interruzione del guasto e il TRV rimane modesto. Ma il valore di picco sfida la capacità di resistenza della fessura proprio nel momento sbagliato: prima che i contatti si siano completamente separati.

Se la fessura si rompe (restrizione), la corrente scorre brevemente fino al successivo attraversamento dello zero. Ora la tensione del condensatore si è spostata. La fessura si libera di nuovo, ma la tensione che la attraversa è aumentata. Le successive interruzioni fanno aumentare la tensione: 2,0 p.u., poi 3,0 p.u., potenzialmente 4,0 p.u. o oltre. L'isolamento delle apparecchiature si rompe. Gli scaricatori di sovratensione entrano in funzione. Rottura dei condensatori.

Valutazioni di Classe C1 contro Classe C2

La norma IEC 62271-100 definisce le classi di commutazione dei condensatori:

La certificazione di classe C2 richiede il superamento di una sequenza di test di 56 operazioni alla corrente capacitiva nominale con monitoraggio della tensione. Qualsiasi riavvio costituisce un fallimento. Per le applicazioni con banchi di condensatori, specificare la Classe C2 non è negoziabile.

I moderni interruttori in vuoto con materiali di contatto in CuCr raggiungono prestazioni di Classe C2 in modo affidabile. Il recupero dielettrico costante della tecnologia del vuoto, indipendente dall'entità della corrente capacitiva, offre vantaggi intrinseci. Tuttavia, produttori di interruttori automatici sottovuoto devono essere progettati e testati esplicitamente per questo compito. Gli interruttori a vuoto generici possono avere solo la classificazione C1.

Commutazione di condensatori back-to-back

Quando si eccita un banco di condensatori con altri banchi già collegati, la corrente di spunto dal banco carico al banco non carico crea ulteriori sollecitazioni. Questo fenomeno è diverso dalla TRV, ma spesso viene confuso nelle specifiche. In questo caso, il problema è la saldatura dei contatti dovuta alla corrente di spunto ad alta frequenza, non il guasto del recupero del dielettrico.

Valutare la gravità della TRV: Determinare quando le valutazioni standard sono insufficienti

Non tutti i circuiti di cavi o le installazioni di condensatori richiedono un'attenzione particolare. L'approccio del fattore di gravità fornisce un metodo di screening quantitativo.

Calcolo del fattore di gravità

$$SF=\frac{RRR{V}_{actual}}{RRR{V}_{standard}}\times \frac{U{c}_{actual}}{U{c}_{standard}}$$

SF=RRRVstandard/RRRVattuale×Ucstandard/Effettivo​​

Soglie di interpretazione:

• SF < 0,8: Capacità dell'interruttore standard adeguata con un margine confortevole
• SF 0,8-1,0: Applicazione marginale; verificare la capacità specifica con il produttore.
• SF > 1.0: È necessaria una maggiore capacità di TRV o l'installazione di dispositivi di mitigazione.

Requisiti dei dati per una corretta valutazione

Un'analisi accurata del TRV richiede:

1. Impedenza di origine (positiva, negativa, sequenza zero) dallo studio dei guasti dell'utenza
2. Parametri del cavo: lunghezza, tipo, impedenza di sovratensione, capacità per metro
3. Caratteristiche del trasformatore se il cavo termina sul trasformatore
4. Profilo del carico collegato e configurazione della messa a terra del neutro

Per le applicazioni critiche - stazioni di generazione, grandi impianti industriali, sottostazioni - la simulazione dei transitori elettromagnetici (EMT) fornisce una caratterizzazione definitiva dei TRV. I pacchetti software modellano le riflessioni delle onde viaggianti, la risposta in frequenza dei trasformatori e l'effettivo comportamento di taglio della corrente degli interruttori.

Scorciatoia pratica

Quando la simulazione EMT non è praticabile, coinvolgere il team di ingegneria applicativa del produttore dell'interruttore. Fornire schemi a linea singola, schede tecniche dei cavi e risultati dello studio dei guasti. Produttori affidabili offrono la verifica della capacità TRV come parte del supporto tecnico di vendita, in particolare per progetti che richiedono una guida dettagliata alle specifiche.

[Approfondimento degli esperti: quando richiedere un'analisi dettagliata del TRV].

• Qualsiasi installazione con cavi inferiori a 300 m e corrente di guasto superiore a 70% del valore nominale dell'interruttore
• Tutte le applicazioni di commutazione di banchi di condensatori, indipendentemente dalle dimensioni dei banchi stessi
• Applicazioni di step-up del generatore in cui l'impedenza della sorgente varia con il carico della macchina
• Retrofit per la sostituzione di interruttori a olio o SF6 in cui i margini del TRV originale sono sconosciuti
• Ripetuti guasti dell'interruttore durante specifiche operazioni di commutazione (lo schema suggerisce un problema di TRV)

Strategie di specificazione per applicazioni critiche TRV

Tre approcci per affrontare le condizioni di TRV gravi: capacità di interruzione migliorata, dispositivi di mitigazione esterni o riconfigurazione del sistema.

Strategia 1: Interruttori con capacità TRV migliorata

I produttori offrono interruttori in vuoto con prestazioni TRV migliorate:

• Spazi di contatto più ampi: La corsa aggiuntiva aumenta il margine di resistenza dielettrica
• Geometria dello scudo ottimizzata: Condensazione più rapida del vapore metallico dopo l'estinzione dell'arco
• Materiali di contatto modificati: La maggiore conduttività post-arco riduce lo stress termico

Richiedere curve di capacità TRV che mostrino l'inviluppo RRRV rispetto a Uc che l'interruttore è in grado di sopportare, non solo dichiarazioni di conformità che facciano riferimento a compiti di prova standard. La curva deve coprire le condizioni equivalenti da T100 a T10.

Strategia 2: Dispositivi di limitazione del TRV

I componenti esterni modificano la forma d'onda TRV:

Condensatori shunt (0,1-0,5 μF): Collegati ai terminali degli interruttori, forniscono un serbatoio di carica locale che riduce l'RRRV iniziale. Il condensatore si carica attraverso l'impedenza del sistema, rallentando l'aumento della tensione. Comune nelle applicazioni degli interruttori per generatori. Richiede un coordinamento: il condensatore stesso deve resistere alla TRV e può influire sulla temporizzazione del meccanismo di funzionamento dell'interruttore.

Scaricatori di sovratensione: Gli scaricatori ad ossido di metallo limitano il picco di TRV ma non riducono il RRRV. Utili quando il TRV di picco supera la capacità ma il tasso di aumento rimane accettabile.

Resistenze di apertura: Altamente efficace, ma raramente applicato alla media tensione a causa del costo e della complessità meccanica.

Strategia 3: Riconfigurazione del sistema

A volte la modifica dell'impianto si rivela più economica della scelta di interruttori speciali:

• Estendere la lunghezza del cavo: Superare la zona critica di 50-500 m riduce la RRRV aumentando il tempo di andata e ritorno delle onde viaggianti.
• Aggiungere reattori in serie: Per i circuiti con banco di condensatori, le reattanze limitano lo spunto e modificano le caratteristiche del TRV.
• Modificare la messa a terra del neutro: Modifica il fattore di primo polo-liberazione (kpp), con effetto sul picco TRV

Lista di controllo delle specifiche

Verifica e manutenzione sul campo per l'assistenza critica TRV

Il riconoscimento delle sollecitazioni legate al TRV negli interruttori in funzione consente di intervenire prima del guasto.

Indicatori diagnostici

• Modelli di erosione da contatto: Il pitting asimmetrico suggerisce eventi di restrike in posizioni di contatto specifiche
• Risultati dell'ispezione a raggi X: I danni interni allo scudo causati da ripetute riaccensioni dell'arco si manifestano come erosione superficiale o spostamento del materiale
• Correlazione dei tempi di guasto: I problemi che si verificano durante operazioni specifiche (interventi dei condensatori, eliminazione dei guasti dei cavi), piuttosto che in modo casuale, suggeriscono l'inadeguatezza della TRV.
• Registri della qualità dell'alimentazione: Le sovratensioni transitorie catturate durante gli eventi di commutazione forniscono una prova diretta della TRV

Priorità di manutenzione

Per interruttori in applicazioni critiche TRV:

• Test di integrità del vuoto: Test annuali o biennali della c.c. ad alto potenziale secondo i programmi del produttore; il vuoto degradato accelera la probabilità di restrike
• Tracciamento dell'usura dei contatti: Registrare le operazioni e le interruzioni di guasto accumulate rispetto alle curve di durata del produttore; la sollecitazione del TRV accelera l'erosione
• Tempistica del meccanismo di funzionamento: Misurare i tempi di apertura e chiusura; il rimbalzo del contatto o l'apertura lenta aumentano la finestra di restrike durante la commutazione capacitiva

Comprensione fattori ambientali che influenzano la selezione degli interruttori in vuoto supporta la pianificazione della manutenzione per le installazioni all'aperto, dove la contaminazione e le temperature estreme aggravano i problemi del TRV.

Esempio di caso: Guasti di banchi di condensatori industriali

Un impianto di banchi di condensatori a 12 kV e 15 Mvar ha subito tre guasti agli interruttori nell'arco di 18 mesi. L'indagine ha rivelato che:

• L'interruttore originale è classificato di classe C1, non C2
• Il banco di condensatori è stato aggiornato da 10 Mvar (base del progetto originale).
• La corrente capacitiva più elevata ha superato i presupposti delle specifiche originali
• I restrike hanno causato danni progressivi all'isolamento delle apparecchiature adiacenti.

Soluzione: Sostituzione con un interruttore sottovuoto di classe C2 e una resistenza di preinserzione per un margine aggiuntivo durante i transitori di alimentazione.

Partner di XBRELE per le applicazioni TRV-Critical

Gli interruttori in vuoto XBRELE incorporano la capacità di commutazione dei condensatori di Classe C2 come standard in tutta la gamma di prodotti. Il nostro team di ingegneri applicativi fornisce un supporto per la valutazione dei TRV per le installazioni di cavi e condensatori, garantendo l'accuratezza delle specifiche prima dell'acquisto.

Per le applicazioni non standard, è possibile organizzare test di verifica della capacità TRV personalizzati tramite il nostro stabilimento di produzione. I pacchetti di documentazione includono i certificati di prova del tipo con i dati dettagliati dell'involucro TRV, che riportano la capacità effettiva rispetto ai requisiti del sistema.

Comprensione fondamenti dell'interruttore a vuoto aiuta gli ingegneri a valutare come l'approccio progettuale di XBRELE fornisca le prestazioni di recupero dielettrico richieste dalle applicazioni TRV più severe.

Contattate il nostro team tecnico per un'analisi TRV specifica per l'applicazione e una guida alla selezione degli interruttori in vuoto.

Riferimento esterno: IEC 60071 - Coordinamento dell'isolamento IEC 60071

Domande frequenti

Quale valore di RRRV indica che un interruttore sotto vuoto necessita di specifiche TRV migliorate?
Per le applicazioni a 12 kV, un RRRV superiore a 5 kV/μs al livello effettivo di corrente di guasto richiede la consultazione del produttore; valori che si avvicinano a 7 kV/μs richiedono in genere un design migliorato degli interruttori o dispositivi esterni di mitigazione del TRV.

Perché i cavi tra 50 e 500 metri creano condizioni di TRV particolarmente severe?
Questo intervallo di lunghezza produce tempi di andata e ritorno delle onde viaggianti di 0,6-6 μs, causando riflessioni di tensione che arrivano ai contatti dell'interruttore prima che il vuoto recuperi completamente la rigidità dielettrica dopo l'estinzione dell'arco.

In che modo la commutazione di condensatori di Classe C2 differisce da quella di Classe C1 in termini pratici?
La classe C2 richiede essenzialmente zero riavvii in una sequenza di test standardizzata di 56 operazioni, mentre la classe C1 consente una probabilità di riavvio statisticamente bassa; solo la C2 fornisce il margine di prestazioni richiesto dalle applicazioni dei banchi di condensatori.

L'aggiunta di condensatori ai terminali degli interruttori può ridurre la severità del TRV negli impianti esistenti?
I condensatori shunt da 0,1-0,5 μF possono ridurre efficacemente l'RRRV iniziale fornendo un accumulo di carica locale, anche se ciò richiede il coordinamento del produttore per verificare che il condensatore resista al transitorio e non influisca sulla temporizzazione dell'interruttore.

Quali sono i sintomi che indicano che un interruttore sta subendo uno stress da TRV durante il servizio?
Modelli asimmetrici di erosione dei contatti, guasti che si verificano in modo specifico durante la diseccitazione del condensatore o l'eliminazione del guasto del cavo piuttosto che in modo casuale e sovratensioni transitorie catturate durante le operazioni di commutazione sono tutti indicatori di una potenziale inadeguatezza del TRV.

Come si colloca la tecnologia del vuoto rispetto all'SF6 per applicazioni TRV severe?
Le interruzioni in vuoto raggiungono tipicamente il recupero del dielettrico entro 5-15 μs dopo l'azzeramento della corrente - più velocemente della tecnologia SF6 - fornendo vantaggi intrinseci nelle applicazioni ad alto RRRV comuni ai circuiti alimentati da cavi a media tensione.

Quando è necessario effettuare una simulazione del transitorio elettromagnetico per l'analisi TRV?
La simulazione EMT è giustificata per le applicazioni nelle stazioni di generazione, per le installazioni con correnti di guasto superiori a 80% del valore nominale dell'interruttore in combinazione con brevi tratti di cavo e in qualsiasi situazione in cui i guasti multipli dell'interruttore suggeriscono problemi TRV non identificati.