INTERRUTTORI

INTERRUTTORI (XIX, p. 405)

Il sempre maggiore sviluppo degli impianti di produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica ha portato in primo piano il problema costruttivo e funzionale degli interruttori destinati ad interrompere, il più rapidamente possibile e senza inconvenienti, circuiti funzionanti ad alte e ad altissime tensioni e percorsi da correnti talora ingentissime, verificandosi casi di guasti alle macchine e agli impianti.

La sempre più estesa interconnessione delle reti, adottata per assicurare la stabilità dell'esercizio, ha portato a valori molto elevati le correnti di corto circuito, obbligando all'impiego di organi di interruzione sicuri e di eccezionale robustezza per far fronte alle grandi sollecitazioni elettriche, termiche e meccaniche manifestantisi nel fenomeno della interruzione. Il problema, di limitata importanza nel caso di circuiti a bassa tensione percorsi da correnti di alcune diecine di ampère, diviene assai complesso nel caso di tensioni elevate.

I progressi ottenuti nella realizzazione dei moderni interruttori si basano essenzialmente sull'impiego di materiali di qualità sempre migliori e sul razionale impiego di tutti quegli artifici noti da tempo, aventi lo scopo di ottenere una rapida ed efficace deionizzazione del mezzo dielettrico interposto fra le parti fissa e mobile dell'interruttore. Detti artifici, di natura meccanica, termica, elettrica, elettromagnetica, spesso coesistono nei moderni interruttori, assumendo aspetti diversi a seconda delle realizzazioni delle case costruttrici. Comunque, quale che sia la natura dei mezzi adottati per lo spegnimento rapido dell'arco, è possibile classificare gli interruttori in due categorie fondamentali e precisamente nei tipi autoestintori, nei quali l'efficacia del mezzo estintore dipende unicamente dalla energia stessa dell'arco; e nei tipi eteroestintori, nei quali il mezzo di spegnimento è indipendente dal valore della corrente d'arco da estinguere.

Gli interruttori a grande volume d'olio, adottati sin dalla fine del secolo scorso, tendono sempre più ad essere abbandonati per gli inconvenienti che essi presentano: fra i quali quello tipico di dar luogo, in condizioni onerose di funzionamento, a deformazioni del cassone o addirittura ad esplosioni, con conseguente incendio di una rilevante massa d'olio.

La tecnica moderna si è orientata verso due tipi fondamentali di interruttori, distinti per la natura del mezzo flluido impiegato per l'estinzione dell'arco, e si hanno i cosiddetti interruttori ad olio ridotto e gli interruttori a gas compresso. Vi sono stati anche tentativi interessanti d'impiego di vapor d'acqua quale mezzo di spegnimento, facendo intervenire nella zona d'arco il vapore in espansione creato dall'arco stesso, formantesi tra due elettrodi immersi in acqua o in miscele liquide a bassa temperatura di congelamento; tali sistemi hanno però perduto importanza rispetto agli altri tipi.

Interruttori ad olio ridotto. - L'impiego dell'olio si basa sulla necessità di far avvenire l'arco in un mezzo facilmente deionizzabile e dotato sia di elevata rigidità dielettrica sia di alta conducibilità termica, per dar luogo ad un rapido smaltimento del calore generato dall'arco. In alcune realizzazioni tecniche di questi interruttori, si utilizza sovente anche l'azione elettrodinamica esercitata sull'arco dal campo magnetico da esso stesso creato. Esempio tipico è quello delle cosiddette celle deionizzanti (fig. 2), nelle quali si obbliga l'arco a svilupparsi in una cella composta di un pacco di piastre isolanti, alternate con piastre di materiale magnetico; l'arco viene spinto in una fenditura ristretta f e lo spegnimento si ha per la vaporizzazione dell'olio ionizzato al quale subentra subito nuovo olio fresco, mentre il contatto mobile C_m si allontana dal contatto fisso C_f. Di solito si hanno rotture multiple dell'arco, utilizzando più celle collegate in cascata (fig. 1).

Altro concetto largamente impiegato è quello di far investire l'arco da un getto d'olio sotto pressione, che può in alcuni casi provenire da una sorgente separata. Nel tipo schematicamente indicato in fig. 3 il getto d'olio interviene in direzione normale all'arco. La camera di interruzione è costituita da un cilindro robusto di bakelite A munito superiormente di un foro per il passaggio del contatto mobile C_m, che può innestarsi nel contatto fisso C_f metallico. L'interno del cilindro è in comunicazione con un condotto B, che è affacciato al foro di passaggio del contatto mobile. Quando questo si allontana si inizia l'arco, che fa vaporizzare l'olio circostante creando una pressione interna che spinge l'olio verso l'alto nel condotto B. L'arco è così investito dal getto d'olio uscente, che si fraziona in piccole gocce, le quali, vaporizzandosi, sottraggono calore ai gas, effettuando un abbassamento di temperatura e, pertanto, una energica deionizzazione.

Il getto d'olio quale mezzo estintore è stato applicato in numerosi tipi di interruttori; in alcuni casi si hanno interruzioni multiple, in corrispondenza delle quali si proietta olio sotto pressione proveniente da serbatoi ausiliarî. In altri tipi il getto d'olio si esplica in direzione longitudinale sull'arco, ed è determinato dall'elettrodo mobile a forma di tubo contenente nel suo interno uno stantuffo fisso.

Altri tipi di interruttori (a convezione) sono realizzati con camere di interruzione suddivise in molti spazî anulari, in guisa da ottenere che i gas derivanti dalla decomposizione dell'olio, producentisi sotto pressione. Successivamente nei varî scomparti, esercitino per convezione un'azione di raffreddamento longitudinale dell'arco stesso.

Interruttori pneumatici. - I moderni interruttori utilizzanti per lo spegnimento dell'arco un getto di gas, presentano caratteristiche diverse a seconda del sistema adottato per la produzione o per l'immagazzinamento del mezzo gassoso di estinzione, generalmente aria, e per la direzione longitudinale o trasversale secondo la quale il getto di gas viene ad investire l'arco. Una classificazione schematica può farsi suddividendo questi interruttori nei tipi: 1) a gas compresso (fig. 4) con serbatoio; 2) a gas sviluppato per azione dell'arco su speciali sostanze; 3) a gas soffiato con artifici meccanici. Nei primi due tipi, per ottenere la deionizzazione si utilizza un mezzo gassoso a pressione più o meno elevata; nel terzo tipo si sfrutta un mezzo gassoso a bassa pressione e ad elevata velocità.

Nel caso di tensioni limitate hanno trovato applicazione alcuni tipi di interruttori, nei quali lo spegnimento dell'arco avviene da una produzione di gas che si manifesta all'atto della interruzione mediante speciali sostanze solide: queste vengono trasformate dall'azione termica dell'arco, che sviluppa da esse idrogeno e anidride carbonica.

In alcuni tipi di interruttori abbastanza recenti (autopneumatici), il soffio occorrente all'estinzione dell'arco viene prodotto da un pistone azionato con una molla preventivamente caricata.

Gli interruttori autoestintori in genere, nei quali cioè l'azionamento del mezzo estintore dipende unicamente dall'energia stessa dell'arco, funzionano in maniera incerta e spesso inefficaci e allorché il carico da interrompere sia modesto, in quanto l'azione deionizzante cresce col crescere del carico ma con legge non proporzionale; esiste in altri termini, una "zona critica" di spegnimento, entro la quale possono verificarsi fenomeni di riaccensione dell'arco. Di contro, agli interruttori nei quali la sorgente del mezzo estintore è indipendente dall'energia dell'arco, si rimprovera di richiedere apparecchiature complicate, costose e facilmente suscettibili di guasti.

Notevoli progressi sono stati realizzati anche nei sistemi di telecomando degli interruttori, ricorrendo a ingegnosi sistemi elettrici, pneumatici od elettro-pneumatici, atti a garantire la perfetta sicurezza del funzionamento. L'automatismo degli interruttori è stato attualmente portato ad un alto grado di perfezione, coi moderni sistemi di richiusura automatica dell'interruttore precedentemente scattato a causa di perturbazioni transitorie verificatesi nell'impianto. Se il guasto fosse invece di natura permanente, detti dispositivi, dopo due o tre tentativi di chiusura, bloccano l'interruttore nella posizione di "aperto" e non consentono la richiusura, a meno che non sia eliminata la causa che ha provocato il primo scatto.

Interruttori per corrente continua. - Le difficoltà relative alla interruzione di circuiti percorsi da corrente continua di valore molto elevato, hanno portato alla realizzazione di speciali interruttori (extrarapidi) nei quali si sfruttano due artifici fondamentali, quali il soffio magnetico dell'arco e la rapidità di allontanamento dei contatti fisso e mobile portata a valori eccezionalmente elevati. La produzione istantanea di un forte campo magnetico (generato dalla stessa corrente d'arco) per le note leggi dell'elettrodinamica esercita un'azione di dilatazione e di dispersione dell'arco stesso, che si comporta come un conduttore dotato di estrema mobilità. La rapidità di allontanamento dei contatti viene ottenuta coll'ausilio di robuste molle d'acciaio, mantenute permanentemente tese durante tutto il tempo di chiusura dell'interruttore.

Interruttori per basse tensioni. - Gli interruttori in aria per basse tensioni sono stati sensibilmente perfezionati, soprattutto per l'estensione ad essi dei dispositivi di funzionamento automatico in caso di sovracorrenti o di abbassamenti eccessivi di tensione, per proteggere impianti o macchine (motori) da guasti dovuti a variazioni delle caratteristiche normali di alimentazione.

In tali interruttori, comandabili anche a distanza, si fa largo impiego di relais a lamine bimetalliche per comandare i dispositivi di scatto, resi rapidi dall'azione di molle caricate all'atto della chiusura. Dato l'andamento delle caratteristiche tempo-corrente dei relais bimetallici, queste non scattano per le brevi punte di corrente che si hanno all'avviamento dei motori asincroni, ma solo in caso di sovraccarichi persistenti. La protezione contro i corti circuiti violenti è di solito affidata a valvole fusibili, in serie coi relais.

Recentemente sono stati sviluppati studî notevolissimi sul problema dei contatti e delle resistenze ad essi relative, talché è stato possibile realizzare contatti (di solito in argento) capaci di sopportare milioni di manovre senza dar luogo ad inconvenienti. Grandi progressi sono stati realizzati anche nelle strutture meccaniche degli interruttori e dei contattori, per eliminare le vibrazioni dovute alla magnetizzazione alternativa dei nuclei nelle bobine di tenuta e per garantire la massima durata delle apparecchiature.

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