Perché un interruttore in vuoto è essenziale nelle applicazioni ad alta tensione

Prestazioni di estinzione dell'arco senza pari dei VCB ad alta tensione

Come gli interruttori a vuoto realizzano l'interruzione alla corrente zero e un rapido recupero dielettrico

Gli interruttori a vuoto, o VCB (vacuum circuit breakers) per brevità, funzionano estinguendo gli archi elettrici in modo molto rapido, generalmente entro uno o due passaggi per lo zero della corrente, il che richiede tipicamente meno di dieci millisecondi. Poiché nel vuoto non è presente alcun materiale suscettibile di ionizzazione, una volta che la corrente scende a zero l’arco non può ristabilirsi. Ciò consente di ottenere effettivamente quella che viene definita interruzione vera alla corrente zero. Il vuoto stesso recupera la propria capacità isolante a una velocità straordinaria di circa 10–20 chilovolt per microsecondo: un valore nettamente superiore rispetto all’aria normale o persino al gas esafluoruro di zolfo. I contatti interni di questi interruttori sono realizzati con materiali speciali, come leghe di rame-cromo, che contribuiscono a controllare gli elettroni emessi durante la formazione dell’arco e a contenere i vapori metallici, riducendo così l’usura dei contatti. Grazie a queste caratteristiche, gli attuali interruttori a vuoto possono operare per oltre 100.000 cicli prima di richiedere qualsiasi tipo di manutenzione. Ciò li rende particolarmente preziosi per gestire sovraccarichi improvvisi e guasti nei sistemi ad alta tensione, dove l’affidabilità è assolutamente fondamentale.

VCB rispetto a interruttori automatici in aria (ACB) e interruttori a SF6: confronto della rigidità dielettrica a 10–35 kV

I VCB offrono una superiore resilienza dielettrica nelle applicazioni a media tensione grazie all’indipendenza ambientale del vuoto, a differenza del SF6, sensibile alla pressione, o dell’aria, dipendente dalle condizioni atmosferiche. Questa costanza consente protezioni compatte e ad alta affidabilità in cabine elettriche e impianti industriali operanti a 10–35 kV.

Per Relazioni tecniche sull'ingegneria ad alta tensione (2024) , gli interruttori a vuoto (VCB) raggiungono un tasso di successo del 98% nell'eliminazione dei guasti a 35 kV, superando gli interruttori ad aria compressa (ACB) del 32% e gli interruttori a SF6 del 17% in termini di affidabilità.

Design compatto e scalabile reso possibile dall'elevata rigidità dielettrica intrinseca dei VCB

Rigidità dielettrica del vuoto di circa 40 kV/cm e il suo impatto sulla riduzione delle dimensioni dei VCB nelle diverse classi di tensione

Il vuoto possiede un'impressionante rigidità dielettrica di circa 40 kV per centimetro. Ciò corrisponde a circa 13 volte il valore dell'aria normale e a circa cinque volte quello del gas SF6. Grazie a questa proprietà superiore, i sezionatori in vuoto possono avere contatti posizionati significativamente più vicini tra loro rispetto ai modelli tradizionali ACB o a SF6, secondo una ricerca pubblicata lo scorso anno dalla IEEE Power Engineering Society. I sezionatori in vuoto funzionano bene su un ampio intervallo di tensione, da soli 1 kV fino a 38 kV, mantenendo tuttavia dimensioni relativamente contenute. Questi vantaggi si traducono in effettivi risparmi sui materiali e offrono la flessibilità tanto necessaria durante l’installazione. Per gli ingegneri impegnati nell’aggiornamento di vecchi impianti elettrici, queste dimensioni compatte fanno una grande differenza quando si opera in spazi ristretti, che spesso limitano il tipo di apparecchiature effettivamente installabili negli impianti esistenti.

Risparmi reali di spazio: integrazione dei VCB nei quadri elettrici a 11 kV conformi alla norma IEC 62271-100

Nella pratica, i quadri elettrici a 11 kV basati su VCB conformi alla norma IEC 62271-100 richiedono il 35% in meno di superficie a terra rispetto ai tradizionali quadri con SF₆, senza compromettere le prestazioni di protezione. Questa efficienza è fondamentale nelle cabine elettriche urbane, dove i costi del terreno sono in continua crescita.

Questi vantaggi dimensionali consentono una distribuzione dell’energia a maggiore densità nei centri commerciali e nei parchi industriali—dove il valore del terreno supera i 740.000 USD/acro (Ponemon Institute, 2023). Inoltre, i tempi di installazione si riducono di 2–3 giorni per unità grazie alla semplificazione delle operazioni di movimentazione e cablaggio.

Affidabilità a lungo termine e basso costo totale di proprietà dei VCB

Interruttori a vuoto sigillati per tutta la vita: MTBF > 100.000 operazioni e requisiti minimi di manutenzione

Gli interruttori di potenza a vuoto (VCB) si distinguono per la loro notevole affidabilità nel tempo, grazie agli interruttori a vuoto completamente sigillati contro umidità, particelle di polvere ed effetti di ossidazione. Questa progettazione consente infatti un impressionante tempo medio tra i guasti (MTBF) superiore a 100.000 manovre. Si tratta di un risultato nettamente migliore rispetto ai vecchi interruttori automatici (ACB) e agli interruttori a gas SF6, che richiedono invece un’attenzione costante per operazioni quali il rabbocco dei fluidi, la pulizia dei contatti o il controllo del livello di gas. Ciò che rende i VCB ancora più interessanti è il fatto che la manutenzione si limita essenzialmente a ispezioni meccaniche occasionali durante i normali controlli periodici. Ciò comporta una riduzione dei costi operativi pari a circa il 70% nella pratica. Analizzando il costo complessivo del ciclo di vita (LCCA), la maggior parte degli studi indica che, nonostante il prezzo iniziale più elevato, i VCB solitamente si ripagano entro tre-cinque anni. Per chiunque gestisca sistemi ad alta tensione, dove la durata dell’equipaggiamento è fondamentale, i tempi di fermo del sistema devono essere minimizzati e i costi complessivi mantenuti sotto controllo, i VCB rappresentano, sul lungo periodo, la scelta finanziariamente più razionale.

Ruolo critico degli interruttori a vuoto (VCB) nel potenziamento della resilienza della rete e del contenimento dei guasti

Unità di derivazione ad anello (RMU) basate su interruttori a vuoto (VCB) nella distribuzione ad alta tensione urbana: metriche di resilienza della rete nazionale del Regno Unito

Le unità di distribuzione ad anello (RMU) dotate di interruttori automatici a vuoto (VCB) sono diventate componenti essenziali nelle odierne reti urbane di distribuzione ad alta tensione. Queste unità possono interrompere i guasti in frazioni di ciclo e stabilizzare rapidamente le reti in caso di problemi. Il motivo? Il vuoto offre proprietà di recupero dielettrico estremamente rapide, impedendo la propagazione dei guasti di alimentazione nelle aree affollate con carichi elettrici elevati. L’analisi dei dati recenti della UK National Grid dal principio del 2020 rivela un dato interessante: nelle città in cui sono state installate tali RMU equipaggiate con VCB si è registrata una riduzione impressionante del 42% della durata media dei disservizi. Un altro importante vantaggio è rappresentato dalle dimensioni compatte, che le rendono ideali per l’installazione negli spazi ristretti delle cabine elettriche, dove lo spazio è particolarmente limitato. Inoltre, poiché richiedono quasi nessuna manutenzione, rimangono operative anche in condizioni meteorologiche estreme che comprometterebbero il funzionamento di altre apparecchiature. Oggi queste unità coprono oltre l’80% di tutti gli interventi su guasti urbani, migliorando in modo significativo importanti indicatori di affidabilità come SAIDI e SAIFI. Per i pianificatori urbani impegnati nella costruzione di infrastrutture resilienti, ciò significa una qualità del servizio superiore sia per i cittadini che per le imprese.