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Gli interruttori in vuoto hanno conquistato una posizione dominante nelle reti di distribuzione a media tensione grazie alla struttura compatta, alle ridotte esigenze di manutenzione e all'affidabile capacità di estinzione dell'arco. Tuttavia, una specifica manovra — la **commutazione della corrente di carica dei cavi con VCB** — continua a destare preoccupazioni ingegneristiche ed è spesso sottovalutata nella progettazione del sistema. Quando un VCB interrompe la piccola corrente capacitiva assorbita da un cavo scarico, il rapido ripristino della tensione ai capi dell'interruttore in vuoto può interagire con la capacità del cavo e generare sovratensioni pericolose. Nei casi peggiori possono verificarsi ripetute riaccensioni dell'arco, che sollecitano sia l'interruttore sia le apparecchiature collegate.
Questo articolo esamina i meccanismi fisici alla base della riaccensione, il sistema di classificazione che determina l'idoneità dei VCB alle manovre capacitive, le strategie di controllo delle sovratensioni disponibili ai progettisti e i fattori specifici del sito che determinano la combinazione di misure appropriata per una determinata installazione.
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Quando un VCB si apre su un cavo scarico, interrompe un carico puramente capacitivo. La corrente è ridotta — spesso solo alcune decine di ampere — ma il suo rapporto di fase con la tensione di sistema crea una condizione potenzialmente pericolosa dopo l'interruzione. Nell'istante del passaggio per lo zero della corrente, che l'interruttore in vuoto sfrutta per estinguere l'arco, la tensione ai capi del cavo è al valore di picco o vicino ad esso. La tensione dal lato sorgente, invece, continua a oscillare alla frequenza di sistema.
Entro un semiperiodo dall'interruzione, la tensione della sorgente raggiunge il picco di polarità opposta. La tensione ai capi dei contatti aperti è quindi circa il doppio del valore di picco del sistema. Se l'interruttore in vuoto non riesce a sopportare questa tensione transitoria di ripristino (TRV), l'interstizio si scarica nuovamente: questo evento è chiamato **riaccensione** (restrike). Ogni riaccensione immette nel cavo un impulso di corrente ad alta frequenza e, quando tale impulso viene interrotto, può prodursi un fenomeno di incremento della tensione, talvolta descritto come moltiplicazione della tensione o sovratensione da riaccensione. Nei casi gravi, riaccensioni successive possono portare le tensioni fase-terra a valori pari a diverse volte il picco nominale, mettendo a rischio l'isolamento dei cavi, gli scaricatori, i trasformatori e i motori collegati a valle.
La probabilità di riaccensione dipende dal rapporto tra la velocità di ripristino della rigidità dielettrica (RRDRS) dell'interruttore in vuoto e la velocità di crescita della TRV. In questo contesto, la tecnologia del vuoto offre una RRDRS molto elevata, uno dei suoi principali vantaggi rispetto a SF₆, ma tale vantaggio non è incondizionato. Il materiale dei contatti, la velocità di separazione, la storia degli archi precedenti e l'entità della tensione di ripristino prevista influiscono tutti sulla possibilità che si verifichi una riaccensione.
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La norma IEC 62271-100 ha introdotto un metodo strutturato per caratterizzare l'idoneità di un interruttore alle manovre capacitive. Sono definite due classi:
Le indicazioni tecniche di Schneider Electric chiariscono che la classificazione C1 o C2 riguarda la bassa probabilità di riaccensione durante l'interruzione di correnti capacitive, dimostrata dalle prove di tipo, mentre le manovre effettive dipendono dalla tensione e dalle condizioni applicative specifiche di ciascuna installazione (FAQ Schneider FA352797). Questo è un aspetto pratico importante: un VCB di classe C2 offre maggiori garanzie rispetto a un dispositivo C1, ma le condizioni della prova di tipo potrebbero non riprodurre ogni combinazione di lunghezza dei cavi, impedenza del sistema e tensione operativa presente sul campo. La classificazione è un punto di partenza necessario, non una garanzia che non servano misure di protezione.
I progettisti che specificano un VCB per frequenti manovre di energizzazione e disenergizzazione dei cavi devono confermare la classe applicabile, verificare che la corrente nominale di commutazione capacitiva copra la corrente di carica effettiva del cavo e valutare poi se siano giustificati ulteriori sistemi di controllo delle sovratensioni in base alle caratteristiche dell'installazione.
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La lunghezza del cavo è una delle variabili più influenti nella valutazione del rischio di riaccensione, perché determina direttamente la carica capacitiva immagazzinata nell'alimentatore. Una derivazione corta di 200 metri comporta condizioni molto diverse da una linea sotterranea lunga un chilometro. I cavi più lunghi accumulano più carica, quindi l'energia immessa nel sistema durante una riaccensione è maggiore e il potenziale incremento della tensione è di conseguenza più elevato.
Oltre alla lunghezza effettiva, è importante anche il tipo di cavo. I cavi isolati in XLPE hanno una capacità per unità di lunghezza inferiore rispetto ai vecchi cavi con isolamento in carta e guaina di piombo, ma i moderni cavi XLPE vengono utilizzati su tratte sempre più lunghe con l'espansione delle reti. La presenza di più sezioni di cavo in parallelo — comune nelle reti ad anello o magliate — moltiplica la capacità equivalente vista dal dispositivo di manovra.
La documentazione ingegneristica Schneider per l'interruttore a media tensione EvoPacT riconosce espressamente che la capacità dei cavi lunghi può influire sul comportamento delle protezioni contro le sovratensioni e che sistemi MT complessi possono richiedere uno studio dettagliato delle sovratensioni e l'implementazione di una rete RC; il progetto specifico deve essere definito dall'analisi del sistema (Guida utente Schneider EvoPacT). Questa indicazione riflette un'importante realtà ingegneristica: non è possibile specificare universalmente un'unica soluzione di controllo delle sovratensioni. L'interazione tra capacità dei cavi, induttanza della sorgente, capacità di assorbimento energetico dello scaricatore e impedenza della rete di smorzamento RC deve essere valutata nel suo insieme. La Guida utente Schneider Electric EvoPacT è la fonte primaria per il requisito specifico del prodotto indicato qui.
Analogamente, la guida applicativa ABB per la selezione dei dispositivi di manovra MT conferma che la commutazione di alimentatori aerei e in cavo con interruttori in vuoto può richiedere in determinate circostanze misure per limitare le sovratensioni (Guida applicativa ABB per dispositivi di manovra MT, 1VGA671056). La precisazione “in determinate circostanze” è intenzionale: la necessità di protezione aggiuntiva dipende dall'applicazione e molte manovre ordinarie non presentano problemi pratici quando si seleziona un VCB C2 adeguatamente dimensionato. Sono i casi limite — linee lunghe, manovre frequenti, apparecchiature terminali sensibili — a richiedere maggiore attenzione. Per le opzioni di apparecchiatura e configurazione, confrontare le condizioni di servizio del progetto con la gamma di VCB di media tensione.
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Sono disponibili diverse misure per gestire le sovratensioni associate alla commutazione della corrente di carica dei cavi con VCB. Ognuna ha un meccanismo specifico e un diverso rapporto tra costi e benefici.
**Reti RC di smorzamento (snubber)**
Una rete RC collegata ai terminali del VCB introduce un elemento resistivo che smorza le oscillazioni ad alta frequenza successive all'interruzione. Il resistore limita l'ampiezza della corrente di riaccensione e riduce il picco di qualsiasi sovratensione successiva. Il condensatore fornisce un percorso a bassa impedenza per il transitorio ad alta frequenza, impedendone la propagazione nella rete a monte. Le reti RC sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni di manovra dei motori e sono altrettanto adatte alle manovre dei cavi, soprattutto quando cavi lunghi producono valori di capacità elevati che altrimenti supererebbero la capacità energetica dello scaricatore. La scelta dei valori RC dipende dal sistema e richiede di conoscere la capacità del cavo, l'induttanza della sorgente e la frequenza del modo oscillatorio dominante.
**Scaricatori di sovratensione a ossido metallico (MOSA)**
Gli scaricatori limitano le sovratensioni conducendo corrente quando la tensione ai loro capi supera il livello di protezione. Nelle applicazioni di manovra dei cavi, gli scaricatori sono normalmente installati sul terminale del cavo e sul sistema di sbarre lato carico dell'interruttore. La loro efficacia dipende dalla capacità nominale di assorbimento energetico: una riaccensione immette un notevole impulso di energia ad alta frequenza e uno scaricatore sottodimensionato potrebbe lavorare fuori dalla propria classe energetica nominale, con rischio di fuga termica. Quando sono presenti sia reti RC sia scaricatori, il carico sullo scaricatore diminuisce perché la rete RC limita l'ampiezza iniziale della sovratensione. Verificare i campi di servizio e di targa con il riferimento dei dati nominali VCB prima dell’accettazione.
**Resistori di preinserzione**
I resistori di preinserzione (PIR) vengono usati soprattutto per limitare i transitori di energizzazione nella manovra di banchi di condensatori, ma il concetto è applicabile anche alla manovra dei cavi. Inserendo brevemente un resistore durante la corsa di chiusura, si smorzano la corrente di inserzione e il relativo transitorio di tensione. Per la disenergizzazione è più pertinente un approccio equivalente di apertura controllata: alcuni VCB moderni integrano la commutazione point-on-wave (POW), che sincronizza la separazione dei contatti con il punto ottimale della forma d'onda di corrente per ridurre al minimo la severità della TRV. Se un comando o il risultato del meccanismo è anomalo, consultare la guida alla risoluzione dei problemi di chiusura e apertura VCB.
**Commutazione controllata (point-on-wave)**
I controllori di commutazione controllata ritardano o anticipano l'operazione meccanica del VCB in modo che la separazione dei contatti avvenga a un angolo di fase in cui la TRV successiva sia minima. Per la commutazione di carichi capacitivi, in genere si fa sì che i contatti si separino vicino allo zero di corrente, quando le tensioni lato sorgente e lato carico si trovano in una relazione favorevole. La commutazione controllata è una tecnica avanzata che richiede un controllore affidabile e un'attenta messa in servizio, ma può ridurre sensibilmente la probabilità di riaccensione senza modificare l'hardware del VCB.
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Una valutazione strutturata riduce il rischio sia di sovradimensionare il progetto — aggiungendo protezioni costose e non necessarie — sia di proteggere in modo insufficiente un sistema in cui gli eventi di riaccensione potrebbero causare danni alle apparecchiature o interruzioni del servizio. I passaggi seguenti delineano una procedura pratica.
**Passaggio 1 — Caratterizzare il cavo.**
Determinare la lunghezza totale del cavo, il tipo, la capacità per unità di lunghezza e gli eventuali percorsi in parallelo. Calcolare la corrente di carica trifase totale alla tensione di esercizio e confrontarla con la corrente nominale di commutazione capacitiva del VCB.
**Passaggio 2 — Confermare la classe del VCB.**
Verificare che il VCB selezionato sia classificato C1 o C2 secondo IEC 62271-100 e che la corrente nominale di commutazione capacitiva superi la corrente di carica del cavo calcolata con un margine adeguato. Per applicazioni con cavi lunghi o manovre frequenti, in genere è preferibile la classe C2.
**Passaggio 3 — Valutare l'impedenza del sistema e la TRV.**
Utilizzare i dati della rete per calcolare il picco e la velocità di crescita della TRV. Confrontarli con la capacità nominale TRV del VCB. Quando la TRV è dominata dalla reattanza del trasformatore e da un cavo lungo, il profilo TRV può risultare più severo della forma d'onda di prova standard.
**Passaggio 4 — Valutare la sensibilità delle apparecchiature a valle.**
Le macchine rotanti, gli azionamenti elettronici di potenza e i vecchi sistemi di isolamento dei cavi sono più sensibili ai transitori di sovratensione rispetto ai moderni trasformatori a secco. Individuare gli eventuali carichi sensibili e i rispettivi livelli di tenuta previsti.
**Passaggio 5 — Eseguire uno studio delle sovratensioni per i sistemi complessi.**
Come sottolineato nella letteratura tecnica Schneider, i sistemi MT complessi richiedono uno studio formale delle sovratensioni mediante simulazione dei transitori elettromagnetici (EMTP o equivalente). Lo studio deve modellare i parametri distribuiti del cavo, le caratteristiche di riaccensione del VCB e tutti i dispositivi di protezione dalle sovratensioni esistenti.
**Passaggio 6 — Selezionare e progettare le misure di controllo delle sovratensioni.**
Sulla base dei risultati dello studio, specificare scaricatori (con classe energetica verificata), reti RC (con valori R e C calcolati) o commutazione controllata. Verificare che la combinazione soddisfi i requisiti di tenuta delle apparecchiature collegate più sensibili.
**Passaggio 7 — Specificare i requisiti di prova e messa in servizio.**
Quando vengono installate reti RC o controllori di commutazione controllata, includere i requisiti di prova di accettazione in fabbrica (FAT) e di accettazione in sito (SAT) per verificare il corretto funzionamento prima dell'energizzazione. La lista di controllo per le prove di accettazione VCB fornisce una struttura complementare per criteri di accettazione, risultati e registrazioni di chiusura.
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Reignizione e riaccensione indicano entrambe il ripristino dell'arco dopo il passaggio per lo zero della corrente, ma IEC 62271-100 le distingue in base al momento in cui avvengono. La reignizione si verifica entro il primo quarto di ciclo dopo l'interruzione della corrente (meno di circa 5 millisecondi a 50 Hz), mentre la riaccensione si verifica dopo tale intervallo. Nella commutazione della corrente di carica dei cavi con VCB, le riaccensioni sono più problematiche perché si verificano quando la tensione ai capi dei contatti ha raggiunto o si è avvicinata alla piena tensione di ripristino. L'energia disponibile per sostenere l'arco e generare una sovratensione alla successiva interruzione è quindi massima. Le reignizioni, pur essendo indesiderabili, avvengono con tensioni di ripristino inferiori e producono in genere transitori meno severi.
Una classificazione C2 secondo IEC 62271-100 significa che l'interruttore ha dimostrato, mediante una serie prescritta di prove di tipo, una probabilità molto bassa di riaccensione durante l'interruzione di correnti capacitive. Rappresenta uno standard prestazionale più rigoroso della classificazione C1. Nelle applicazioni di manovra dei cavi, la classe C2 è importante perché gli alimentatori con cavi scarichi presentano un carico puramente capacitivo e la TRV dopo l'interruzione può superare il doppio del picco di tensione del sistema. Un VCB C2 è stato convalidato, in condizioni di prova standardizzate, per mantenere l'integrità dielettrica in presenza di queste sollecitazioni. Come osservato nelle indicazioni tecniche Schneider, le condizioni effettive di servizio dipendono dalla tensione e dall'applicazione; pertanto la classificazione C2 è un forte indicatore di idoneità, ma non elimina la necessità di una valutazione specifica del sito nei sistemi complessi.
Una rete RC di smorzamento, talvolta chiamata snubber, è collegata in serie con un resistore e un condensatore ai terminali lato carico del VCB o nel punto di ingresso del cavo. Svolge due funzioni. In primo luogo, il resistore smorza la corrente oscillatoria ad alta frequenza che scorre durante una riaccensione, riducendo l'ampiezza dei picchi di tensione successivi e limitando l'energia disponibile per incrementare ulteriormente le sovratensioni. In secondo luogo, il condensatore fornisce un percorso parallelo a bassa impedenza per il transitorio, deviando di fatto l'energia ad alta frequenza lontano dall'isolamento sensibile dei cavi e dalle apparecchiature terminali. La documentazione EvoPacT di Schneider identifica espressamente la rete RC come misura consigliata per i sistemi MT complessi in cui la capacità dei cavi lunghi influenza il comportamento delle protezioni dalle sovratensioni; i valori specifici dei componenti devono essere determinati dall'analisi del sistema, non da un valore standard fisso.
L'entità della corrente di carica del cavo determina se rientra nella capacità nominale del VCB per la commutazione capacitiva. IEC 62271-100 specifica i valori nominali della corrente di commutazione capacitiva, espressi in ampere, che l'interruttore deve interrompere senza superare i limiti di probabilità di riaccensione della propria classe. Se la corrente di carica del cavo calcolata supera il valore nominale, il VCB opera al di fuori delle condizioni di servizio convalidate e il rischio di riaccensione non è quantificato. In pratica, la maggior parte dei cavi a media tensione di lunghezza moderata presenta correnti di carica ampiamente entro la capacità nominale dei VCB standard, ma alimentatori molto lunghi o sistemi di cavi in parallelo possono avvicinarsi o superare il limite nominale. Calcolare tempestivamente la corrente di carica e verificarla rispetto al valore di targa del VCB è un passaggio fondamentale della procedura di progettazione.
Quando uno studio di simulazione dei transitori mostra che il picco o la velocità di crescita della TRV superano la capacità nominale del VCB, oppure che le sovratensioni risultanti sui cavi superano il livello di tenuta delle apparecchiature collegate, il progettista dispone di diverse opzioni correttive. Gli approcci principali, utilizzabili singolarmente o in combinazione, sono: passare a un VCB con una TRV nominale superiore o con classificazione C2 se inizialmente era stata specificata una classe inferiore; installare scaricatori a ossido metallico con classe energetica verificata sul terminale del cavo e sul sistema di sbarre dell'interruttore; aggiungere una rete RC di smorzamento dimensionata per ridurre l'ampiezza dell'oscillazione dominante; e implementare la commutazione controllata (point-on-wave) per minimizzare la TRV al momento della separazione dei contatti. La guida applicativa ABB per la commutazione MT conferma che in determinate circostanze, durante la manovra degli alimentatori in cavo, sono giustificate misure per limitare le sovratensioni. Ciò ribadisce che la combinazione appropriata dipende sempre dall'applicazione e non può essere prescritta universalmente.
