La separazione dei contatti durante l'interruzione di un guasto provoca l'ionizzazione del vapore metallico, generando un arco. Negli ambienti ad alto vuoto, solitamente inferiori a 10^-4 torr, sono presenti quasi nessuna molecola gassosa necessaria per mantenere in atto le valanghe elettroniche. Quando non vi è nulla con cui gli elettroni liberi possano collidere, questi non riescono a produrre gli elettroni secondari che altrimenti contribuirebbero a formare il plasma. Ancora prima che questo plasma raggiunga una condizione di stabilità, il vapore metallico si condensa rapidamente nuovamente sulle superfici dei contatti in circa 3 millisecondi. Questo processo rapido consente una rapida deionizzazione e riduce in modo significativo l'usura dei contatti nel tempo. Ciò che rende tale sistema così efficace è la sua capacità di gestire oltre 30.000 operazioni senza necessità di manutenzione: un valore nettamente superiore rispetto alle alternative riempite con gas o olio, le quali, a causa dei loro processi di ionizzazione, tendono a prolungare la durata dell'arco e ad accelerare il degrado dei componenti.
Gli interruttori a vuoto avviano il recupero dielettrico già dopo soli 10 microsecondi dal passaggio della corrente per lo zero, ossia circa 200 volte più velocemente rispetto agli interruttori a SF₆ e circa 1000 volte più rapidamente rispetto ai vecchi dispositivi ad interruzione in aria. Perché ciò accade? Il vuoto possiede una straordinaria proprietà chiamata resistenza dielettrica intrinseca, pari a circa 40 kV/mm, contro soli 8 kV/mm del SF₆. Inoltre, non si generano sgraditi sottoprodotti di decomposizione che ne comprometterebbero le prestazioni. Quando i vapori metallici iniziano a condensare, essi ripuliscono effettivamente il gap tra i contatti proprio poco prima del picco delle tensioni transitorie di ricupero. Ciò contribuisce a sopprimere eventuali riaccensioni indesiderate, anche in presenza di tassi di salita della tensione particolarmente elevati, fino a 20 kV per microsecondo. Analizzando le alternative, i sistemi a SF₆ richiedono da 2 a 5 millisecondi per i processi di deionizzazione del gas, mentre gli interruttori ad interruzione in aria tendono a presentare problemi legati alla persistenza di fastidiosi canali di plasma. Grazie a questo tempo di recupero estremamente breve, gli interruttori a vuoto si distinguono come soluzione privilegiata per numerose applicazioni di commutazione ad alta frequenza, quali il controllo di banchi di condensatori o la gestione dell’avviamento di motori in diversi contesti industriali.
La velocità con cui un interruttore a vuoto opera fa la differenza quando i sistemi sono soggetti a guasti elettrici. Questi interruttori separano i contatti in circa 15 millisecondi, ovvero quattro volte più velocemente rispetto ai modelli tradizionali ad olio o ad aria, che richiedono oltre 60 ms. Questa rapidità consente di ridurre in misura significativa gli effetti dannosi delle sovratensioni elettriche. In caso di cortocircuiti, conduttori e trasformatori subiscono un notevole accumulo di calore. Studi indicano che la temperatura dei conduttori può aumentare fino a 300 gradi Celsius già entro mezzo secondo dall’insorgere del guasto, accelerando così in modo considerevole il degrado dei materiali isolanti. Il vero vantaggio consiste nell’interruzione del flusso di corrente prima che raggiunga il suo valore massimo, limitando così i danni termici e impedendo che si propaghino ad altre parti della rete elettrica. Perché questo funziona? Perché gli interruttori a vuoto operano in modo diverso a livello fondamentale: in assenza di alcun materiale in grado di generare ioni, l’arco elettrico si estingue entro 5–10 microsecondi dalla separazione dei contatti. Anche le segnalazioni provenienti dal campo industriale confermano questi benefici, evidenziando che le reazioni a catena di grande entità sono molto meno comuni con gli interruttori a vuoto. Secondo i registri di manutenzione di varie installazioni, le interruzioni durano circa il 68% in meno rispetto alle tecnologie più datate.
Secondo i risultati sulla affidabilità pubblicati nel 2022 dall’Electric Power Research Institute (EPRI), gli interruttori a vuoto presentano un tasso di guasto inferiore allo 0,08% dopo circa 25.000 operazioni, superando di circa 3–5 volte gli interruttori ad olio e ad aria. Il raggiungimento di tale livello prestazionale dipende principalmente dal rispetto di due condizioni: mantenere il gioco tra i contatti entro una tolleranza di ±0,2 mm e verificare l’integrità del vuoto ogni tre mesi mediante prove di scarica al magnetron. Gli apparecchi sottoposti a questa manutenzione possono superare agevolmente le 100.000 cicli meccanici senza perdita di efficacia. Ciò significa che non sarà più necessario provvedere al rabbocco di fluidi, come avviene invece nei sistemi ad olio o a SF6, consentendo così un risparmio di tempo e costi nel lungo periodo.
Gli ultimi dati riportati nella Brochure Tecnica CIGRE 892 evidenziano un fenomeno interessante in atto attualmente nel settore energetico. Circa l'82% di tutte le nuove stazioni di trasformazione in media tensione realizzate tra il 2020 e il 2023 prevede interruttori automatici a vuoto come dotazione standard a livello mondiale. Perché? Questi dispositivi hanno superato la prova del tempo, con una vita utile di circa 25 anni, quasi il doppio rispetto a quella dei tradizionali sistemi a olio. Inoltre, richiedono una manutenzione annuale notevolmente inferiore, riducendo le ore dedicate alla manutenzione di circa il 90%. Anche dal punto di vista dei costi complessivi di ciclo di vita, i conti tornano: le aziende elettriche di tutto il mondo registrano risparmi pari a circa il 40% confrontando la tecnologia a vuoto con le alternative isolate a gas. È per questo che gli interruttori automatici a vuoto stanno diventando lo standard aureo per un funzionamento affidabile nei progetti di infrastrutture critiche, dove il fermo impianto non è assolutamente ammissibile.
Gli interruttori in vuoto sono semplicemente più affidabili rispetto ai modelli tradizionali a olio o ad aria, come dimostrato dalle prestazioni reali in numerose installazioni diverse in tutto il mondo. Il design della camera sigillata in vuoto elimina contemporaneamente diversi problemi: non si verifica alcuna ossidazione, non sono presenti materiali infiammabili all’interno e nulla fuoriesce per inquinare l’ambiente. Ciò comporta un numero minore di incendi e tempi di fermo per manutenzione notevolmente ridotti rispetto ai vecchi sistemi a olio. Gli interruttori tradizionali richiedono sostituzioni periodiche del fluido e una gestione accurata dei gas, mentre gli interruttori in vuoto funzionano in modo diverso. Il loro speciale processo di spegnimento dell’arco non produce sostanze chimiche nocive durante l’usura nel tempo. Grazie a questi vantaggi in termini di sicurezza, velocità di risposta e durata, la maggior parte delle moderne cabine secondarie in media tensione costruite tra il 2020 e il 2023 ha iniziato a specificare la tecnologia in vuoto secondo le linee guida del settore. I test sul campo condotti nel 2022 mostrano che questi interruttori presentano un guasto meno di una volta ogni mille operazioni dopo circa 25.000 cicli, stabilendo così un nuovo parametro di riferimento per quanto ci si attende dalle apparecchiature elettriche nel lungo periodo.
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