Gli interruttori - Kataweb

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Interruzioni a olio costruiti dalla Westinghouse Electric per proteggere una linea a 345 000 volt. È impiegato un interruttore per ogni fase del circuito trifase. I serbatoi contengono molte migliaia di litri di olio. La pratica europea preferisce inter• ruttori in olio ridotto come è mostrato in basso a pagina 35. Gli schemi degli interruttori a olio sono a pagina 37 in alto. t Gli interruttori Come interrompere rapidamente, ma non troppo, una corrente ad alta tensione? Controllando e quindi spegnendo rapidamente l'arco che si innesca all'interruzione del circuito C hi per primo ha interrotto un cir- cuito elettrico ha involontaria- mente utilizzato le proprietà di un plasma, cioè di uno stato della ma- teria nel quale gli elettroni sono allon- tanati dagli atomi e dalle molecole con conseguente formazione di un gas elet- tricamente conduttore. Sebbene il ter- mine « plasma » sia collegato oggi a in- soliti progetti, quali per esempio i ge- neratori magnetofluidodinamici e le rea- zioni termonucleari controllate, gli inge- gneri che abitualmente devono occu- parsi dei plasmi - é delle loro proprietà, sono i progettisti degli interruttori per l'industria della produzione di energia elettrica. Dopo più di 70 anni di sforzi tecnici, il miglior sistema di controllare un arco di plasma in un interruttore ri- mane ancora soggetto di discussioni tecniche. Con l'aumento delle tensioni usate nelle trasmissioni dell'energia dai 230 000 volt, e che solo 20 anni fa si consideravano alte, ai 550 000 volt e più recentemente, ai 735 000 volt, il problema di progettare interruttori affi- dabili è diventato sempre più complesso mentre la discussione continua. L'inter- ruzione dell'energia elettrica che, nel novembre 1966, si estese a tutta la zona nordorientale degli USA ebbe inizio con l'apertura di un interruttore nel Quebec a causa di un momentaneo so- vraccarico. Siccome il sovraccarico venne smistato verso i settori limitrofi della rete di trasmissione dell'energia, i circuiti si interruppero in una succes- sione crescente. Il disastro, quantunque non fosse dovuto a un interruttore di- fettoso, ma a una imperfezione nel pro- getto della rete, ha dimostrato quanto una società industria!e sia diventata di- pendente dalla affidabilità di queste ap- parecchiature quasi sconosciute. L'interruttore che apre un circuito sotto una tensione di alcune centinaia di migliaia di volt deve assolvere le stes- se funzioni fondamentali dell'interrutto- di Werner Rieder re a levetta da parete in un circuito domestico a 220 volt. Quello che rende difficile la progettazione man mano che la tensione aumenta è che le funzioni di un interruttore sono contraddittorie: quando è chiuso deve condurre la cor- rente praticamente senza perdite e quando è aperto deve isolare pratica- mente senza dispersioni. Mentre è pos- sibile ottimizzare per una singola fun- zione, altri dispositivi elettrici quali i generatori, i motori e i trasformatori, i commutatori e gli interruttori devono essere ottimizzati per funzioni che sono contrastanti fra di loro. L 'interruttore più semplice è il comune interruttore a coltello che si può ancora trovare nella maggior parte dei negozi di forniture elettriche (si veda l'illustrazione a pagina 32 in alto). Le versioni più grosse dell'interruttore a coltello, largamente impiegato nelle pri- me centrali elettriche, hanno ovvi svan- taggi: l'arco di considerevoli dimensioni che si forma fra i contatti all'atto del loro allontanamento può ustionare la mano dell'operatore; se l'interruttore non viene aperto rapidamente o com- pletamente, l'arco può mantenersi cosí a lungo da provocare la fusione dei con- tatti; infine, in un interruttore a coltello di tipo semplice il contatto fisso è per lo piú realizzato in modo da agire come una molla che stringe la lama mobile: con l'uso ripetuto e coi successivi ri- scaldamenti la tempera della molla si degrada. Questi inconvenienti furono superati abbastanza presto con la progettazione di un interruttore a coltello il cui ma- nico è collegato alla lama tramite una molla che apre il circuito più rapida- mente e p iù stabilmente di quanto non sia possibile a mano (si veda l'illustra- zione a pagina 32 in basso). Inoltre le ganasce che stringono la lama del col- tello nella posizione chiusa sono com- presse l'una contro l'altra da molle esterne che non fanno parte del circuito e che perciò hanno meno probabilità di essere danneggiate dal riscaldamento. L'impiego di una molla per tirare la lama del coltello portò ben presto allo sviluppo di un dispositivo automatico in cui l'energia per l'apertura dei con- tatti viene immagazzinata con l'opera- zione di chiusura. Solo una piccola for- za e un tempo breve sono in tal modo necessari per aprire l'interruttore me- diante una semplice leva a uncino che, quando viene- sganciata, libera l'energia immagazzinata aprendo i contatti. Il semplice interruttore descritto inizial- mente diventa ora un interruttore nel vero senso della parola, capace di inter- rompere la corrente in condizioni pre- stabilite, per esempio quando si forma un corto circuito o quando una sovra- corrente mette in pericolo un motore elettrico (si veda l'illustrazione a pagina 33 in alto). Per la sicurezza dell'opera- tore deve essere introdotto un ultimo perfezionamento: il manico per il rein- serimento dell'interruttore deve essere separato dalla robusta molla che apre i contatti; in caso contrario, se il dispo- sitivo scatta subito dopo essere stato reinserito, il manico potrebbe colpire l'operatore con una notevole forza (si veda l'illustrazione a pagina 33 in basso). L 'arco di plasma che collega momenta- neamente una coppia di contatti nel- la fase di apertura potrebbe forse sem- brare un fenomeno indesiderato che ac- celera il deterioramento della superfi- cie dei contatti. In realtà l'arco è un ele- mento fondamentale per il buon funzio- namento di un interruttore. Se l'arco non si fermasse e il circuito venisse in qualche modo istantaneamente aperto, si creerebbero delle elevate sovratensio- ni che potrebbero distruggere la stessa apparecchiatura per la cui protezione 30 31

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Interruzioni a olio costruiti dalla Westinghouse Electric perproteggere una linea a 345 000 volt. È impiegato un interruttoreper ogni fase del circuito trifase. I serbatoi contengono molte

migliaia di litri di olio. La pratica europea preferisce inter•ruttori in olio ridotto come è mostrato in basso a pagina 35.Gli schemi degli interruttori a olio sono a pagina 37 in alto.

t

Gli interruttori

Come interrompere rapidamente, ma non troppo, una correntead alta tensione? Controllando e quindi spegnendorapidamente l'arco che si innesca all'interruzione del circuito

C

hi per primo ha interrotto un cir-cuito elettrico ha involontaria-mente utilizzato le proprietà di

un plasma, cioè di uno stato della ma-teria nel quale gli elettroni sono allon-tanati dagli atomi e dalle molecole conconseguente formazione di un gas elet-tricamente conduttore. Sebbene il ter-mine « plasma » sia collegato oggi a in-soliti progetti, quali per esempio i ge-neratori magnetofluidodinamici e le rea-zioni termonucleari controllate, gli inge-gneri che abitualmente devono occu-parsi dei plasmi-é delle loro proprietà,sono i progettisti degli interruttori perl'industria della produzione di energiaelettrica. Dopo più di 70 anni di sforzitecnici, il miglior sistema di controllareun arco di plasma in un interruttore ri-mane ancora soggetto di discussionitecniche. Con l'aumento delle tensioniusate nelle trasmissioni dell'energia dai230 000 volt, e che solo 20 anni fa siconsideravano alte, ai 550 000 volt epiù recentemente, ai 735 000 volt, ilproblema di progettare interruttori affi-dabili è diventato sempre più complessomentre la discussione continua. L'inter-ruzione dell'energia elettrica che, nelnovembre 1966, si estese a tutta la zonanordorientale degli USA ebbe iniziocon l'apertura di un interruttore nelQuebec a causa di un momentaneo so-vraccarico. Siccome il sovraccaricovenne smistato verso i settori limitrofidella rete di trasmissione dell'energia,i circuiti si interruppero in una succes-sione crescente. Il disastro, quantunquenon fosse dovuto a un interruttore di-fettoso, ma a una imperfezione nel pro-getto della rete, ha dimostrato quantouna società industria!e sia diventata di-pendente dalla affidabilità di queste ap-parecchiature quasi sconosciute.

L'interruttore che apre un circuitosotto una tensione di alcune centinaiadi migliaia di volt deve assolvere le stes-se funzioni fondamentali dell'interrutto-

di Werner Rieder

re a levetta da parete in un circuitodomestico a 220 volt. Quello che rendedifficile la progettazione man mano chela tensione aumenta è che le funzionidi un interruttore sono contraddittorie:quando è chiuso deve condurre la cor-rente praticamente senza perdite equando è aperto deve isolare pratica-mente senza dispersioni. Mentre è pos-sibile ottimizzare per una singola fun-zione, altri dispositivi elettrici quali igeneratori, i motori e i trasformatori,i commutatori e gli interruttori devonoessere ottimizzati per funzioni che sonocontrastanti fra di loro.

L'interruttore più semplice è il comuneinterruttore a coltello che si può

ancora trovare nella maggior parte deinegozi di forniture elettriche (si vedal'illustrazione a pagina 32 in alto). Leversioni più grosse dell'interruttore acoltello, largamente impiegato nelle pri-me centrali elettriche, hanno ovvi svan-taggi: l'arco di considerevoli dimensioniche si forma fra i contatti all'atto delloro allontanamento può ustionare lamano dell'operatore; se l'interruttorenon viene aperto rapidamente o com-pletamente, l'arco può mantenersi cosía lungo da provocare la fusione dei con-tatti; infine, in un interruttore a coltellodi tipo semplice il contatto fisso è perlo piú realizzato in modo da agire comeuna molla che stringe la lama mobile:con l'uso ripetuto e coi successivi ri-scaldamenti la tempera della molla sidegrada.

Questi inconvenienti furono superatiabbastanza presto con la progettazionedi un interruttore a coltello il cui ma-nico è collegato alla lama tramite unamolla che apre il circuito più rapida-mente e più stabilmente di quanto nonsia possibile a mano (si veda l'illustra-zione a pagina 32 in basso). Inoltre leganasce che stringono la lama del col-tello nella posizione chiusa sono com-

presse l'una contro l'altra da molleesterne che non fanno parte del circuitoe che perciò hanno meno probabilità diessere danneggiate dal riscaldamento.

L'impiego di una molla per tirare lalama del coltello portò ben presto allosviluppo di un dispositivo automaticoin cui l'energia per l'apertura dei con-tatti viene immagazzinata con l'opera-zione di chiusura. Solo una piccola for-za e un tempo breve sono in tal modonecessari per aprire l'interruttore me-diante una semplice leva a uncino che, quando—viene- sganciata, libera l'energiaimmagazzinata aprendo i contatti. Ilsemplice interruttore descritto inizial-mente diventa ora un interruttore nelvero senso della parola, capace di inter-rompere la corrente in condizioni pre-stabilite, per esempio quando si formaun corto circuito o quando una sovra-corrente mette in pericolo un motoreelettrico (si veda l'illustrazione a pagina33 in alto). Per la sicurezza dell'opera-tore deve essere introdotto un ultimoperfezionamento: il manico per il rein-serimento dell'interruttore deve essereseparato dalla robusta molla che aprei contatti; in caso contrario, se il dispo-sitivo scatta subito dopo essere statoreinserito, il manico potrebbe colpirel'operatore con una notevole forza(si veda l'illustrazione a pagina 33 inbasso).

L'arco di plasma che collega momenta-neamente una coppia di contatti nel-

la fase di apertura potrebbe forse sem-brare un fenomeno indesiderato che ac-celera il deterioramento della superfi-cie dei contatti. In realtà l'arco è un ele-mento fondamentale per il buon funzio-namento di un interruttore. Se l'arconon si fermasse e il circuito venisse inqualche modo istantaneamente aperto,si creerebbero delle elevate sovratensio-ni che potrebbero distruggere la stessaapparecchiatura per la cui protezione

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viene sganciata, una molla sposta il contatto mobile interrom-pendo il circuito (2). Poiché il manico è solidale col contattomobile, l'operatore potrebbe essere ferito se il circuito fosse in-terrotto prima di poter lasciare il manico e allontanare la mano.

CONTATTO FISSO

L'interruttore automatico apre il circuito quando viene eserci-tata una pressione su un dispositivo di sganciamento. La pres-sione libera una leva a uncino che mantiene il contatto mobilestretto contro il contatto fisso (1). Quando la leva a uncino

CONTATTO MOBILE

DISPOSITIVO DISGANCIAMENTO MANICO

LEVAA UNCINO

1

DISPOSITIVO DISGANCIAMENTO

CONTATTO FISSO

CONTATTO MOBILE

MANICOLEVA

A UNCIN

LEVA A UNCINO

2

CONTATTO FISSO

CONTATTO MOBILE

CONTATTOMOBILE

CONTATTOFISSO

CONTATTO FISSO

CONTATTOMOBILE

CONTATTOMOBILE

CONTATTOFISSO

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Questo antico interruttore a coltello, azio-nato manualmente, è adatto solo per in-terrompere circuiti a bassa tensione e abassa corrente; all'apertura del circuito siforma un piccolo arco fra i contatti. Sela tensione e la corrente sono considere-voli, l'arco può ustionare l'operatore. Ilcontatto fisso (mostrato in sezione a de.stra) che, come una molla, stringe il con-tatto mobile, è soggetto a notevole fatica.

L'interruttore a scatto impiega una mollafra il contatto mobile e il manico per as-sicurare un funzionamento rapido e uni-forme, regolando con ciò l'arco. Un altroperfezionamento è costituito dal contattofisso che esercita una pressione sul con-tatto mobile per mezzo di molle (a de-stra) che però non fanno parte del circuito.

era stato installato l'interruttore. Le so-vratensioni si presenterebbero perchéintorno a un conduttore percorso dauna corrente viene sempre indotto uncampo magnetico. L'energia immagaz-zinata nel campo si trasforma di nuovoin energia elettrica quando la correntediminuisce e il campo magnetico si sca-rica; quanto più rapida è la diminuzionedella corrente tanto più veloce è la sca-rica del campo magnetico, e più alta lasovratensione indotta.

L'arco, essendo costituito dal plasmaelettricamente conduttore, permette chela corrente possa fluire per breve tem-po fra i contatti aperti evitando corila scarica troppo rapida del campo ma-gnetico. Come si produce cori fortui-tamente l'arco? Quando i contatti co-minciano a separarsi la superficie cherimane in contatto inizia a diminuire,di conseguenza aumenta la resistenzaal flusso della corrente e aumenta an-che la temperatura della superficie dicontatto residua. Quando si raggiungeil punto di fusione dei contatti rimanesolo un sottile ponte di metallo fuso chela corrente può percorrere: in questoistante la temperatura aumenta cosi ra-pidamente che il metallo evapora crean-do le condizioni ideali per l'innesco diun arco di plasma.

Il condotto di plasma che ai formafra i contatti viene generato dalla ioniz-zazione del gas circostante costituitonormalmente da aria che, a temperaturaambiente, è un eccellente isolante. Apressione e temperatura normali unadistanza d'aria di un centimetro puòsopportare una tensione di circa 30 000volt ossia più di un equivalente spes-sore di vetro. Quando l'aria viene tra-sformata in Plasma a 5000 gradi Kelvin(gradi Celsius sopra Io zero assoluto)la sua conducibilità aumenta di più di13 ordini di grandezza, ossia di un fat-tore maggiore di 10 bilioni avvicinando-si alla conducibilità del carbone (si ve-da illustrazione a pagina 34 in alto).Questa enorme differenza fra un eccel-lente isolante e un efficace conduttorenon può essere riprodotta da altre so-stanze in qualsiasi altro stato; ecco per-ché l'arco di plasma è il mezzo più ef-ficace di apertura di circuiti che si co-nosca.

Una volta che in un interruttore si èinnescato un arco a seguito della

separazione dei contatti, l'alta tempera-tura necessaria per conservare l'arco èfornita dalla corrente che percorre l'ar-co stesso. A questo punto si deve ri-cordare che praticamente tutti i sistemidi trasmissione di energia impiegano lacorrente alternata, il che significa che ilvalore della corrente scende a zero da

100 a 200 volte al secondo circa se-condo l'usanza adottata nei vari paesi.Quando la corrente scende a zero nonpuò più mantenere l'arco e il circuitosi apre. Non si produce alcuna sovra-tensione perché, in corrispondenza diun valore nullo della corrente, nel cir-cuito non viene immagazzinata energiamagnetica.

Sfortunatamente, il calore accumula-to nel condotto dell'arco non si disperdeistantaneamente quando la corrente siazzera, e se il calore si conserva troppol'arco può riaccendersi quando il valoredella corrente comincia nuovamente asalire dopo il passaggio per lo zero.Finché le tensioni sono basse la riac-censione dell'arco dell'interruttore è im-pedita da una guaina di ioni positivi chesi forma intorno al contatto caricatonegativamente entro un microsecondodall'aumento della tensione fra i con-tatti (si veda l'illustrazione in basso apagina 34). La guaina è in grado di sop-portare alcune centinaia di volt secondoil materiale di cui è costituito il con-tatto e le condizioni della sua superficie.Con tensioni più alte possono utilizzarequest'effetto dispositivi a doppie o mol-teplici interruzioni.

Gli interruttori previsti per lavorarecon tensioni dell'ordine delle migliaiadi volt dcvon encrc generalmente f rniti di sistemi di raffreddamento del-l'arco per impedirne la riaccensione.Il raffreddamento dell'arco non è facilecome si può credere. Se si cerca di ac-celerare la perdita di calore con un gasdi raffreddamento più efficace (qualeper esempio l'idrogeno) o con la con-vezione forzata, la temperatura del-l'arco invece di diminuire aumenta no-tevolmente: questo comportamento, inapparenza improprio, può essere capitose si ricorda che le zone periferiche del-l'arco sono sensibili al raffreddamentoforzato e perdono la loro conducibilità.Tuttavia, l'effetto complessivo è di ri-durre la sezione trasversale conduttricedel condotto dell'arco: quindi se la cor-rente che lo percorre resta costante de-ve aumentare la densità di corrente econ essa anche la temperatura. Ciò no-nostante negli interruttori ad alta ten-sione il raffreddamento forzato è usatoefficacemente perché la velocità allaquale un condotto di un arco perde ca-lore è inversamente proporzionale allasezione trasversale; quindi più sottile èil condotto, più veloce è la dispersionedi calore.

Si potrebbe credere che una soluzio-ne ovvia per il problema dell'interru-zione di circuiti a corrente alternataconsista semplicemente nell'interrompe-re il circuito all'istante preciso in cuila corrente e la tensione assumono il

L'interruttore automatico di sicurezza èprogettato in modo che il manico per chiu-dere il circuito sia indipendente dal con-tatto mobile, eliminando cosi il pericoloinsito nell'interruttore mostrato nell'illu-strazione in alto. Una pressione sul dispo-sitivo di sganciamento libera la leva auncino che trattiene il contatto mobile(/). Il contatto mobile azionato da unamolla urta una seconda leva a uncino chelibera il manico (2 e 3). Anche se il cir-cuito fosse interrotto subito dopo esse-re stato chiuso, il manico non potrebbepertanto scattare e colpire l'operatore.

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100 500 1 000 5000 10 000

TEMPERATURA ("K)

La conducibilità elettrica dell'aria aumenta di tremila miliardi di volte quando la suatemperatura aumenta da 1500 gradi Kelvin (gradi Celsius sopra lo zero assoluto) a5000 gradi Kelvin. Al di sotto di 700 gradi Kelvin l'aria è un isolante migliore delvetro: sopra i 5000 gradi ha una conducibilità prossima a quella del carbone. L'ariadiventa conduttrice quando le collisioni termiche allontanano gli elettroni dalle orbi-te esterne delle molecole di azoto e di ossigeno e, poi, dagli strati esterni dei loro atomi.

50 000

CATODO ANODO

infiammabile — per spegnere l'arco ro-vente: quando l'olio si decompone li-bera l'idrogeno che è un ottimo mezzodi raffreddamento a causa della sua pic-cola massa e dell'alta velocità delle suemolecole; altri interruttori si servonodi un gas eccezionalmente pesante, l'e-safiuoruro di zolfo. I dispositivi più riu-sciti per interrompere le correnti piùforti usano semplicemente aria. Ogniapparecchiatura ha vantaggi e svantaggie nessuno ne sa abbastanza per predirequale di esse sarà la più diffusa nelfuturo. In questo articolo mi limiteròa descrivere i principali tipi di inter-ruttori.

Gli interruttori che impiegano l'ariaquale mezzo di interruzione sono

di due tipi fondamentali: interruttori asoffiatore magnetico e interruttori adaria soffiata. Negli interruttori a sof-fiatore magnetico i contatti hanno laforma di due corna e sono disposti inun campo magnetico (si veda l'illustra-zione in alto nella pagina a fronte). Al-l'inizio l'arco si innesca nella zona diminima distanza fra le corna, ma poiviene costantemente spinto verso l'ester-no da un campo magnetico perpendi-colare a esso, fino a estendersi fra leestremità delle corna nella zona in cuisono maggiormente distanziate. Alla fi-ne l'arco viene allontanato dalle cornae, poi, allungato in aria libera o in una

Interruttori a olio costruiti dalla Brown Boweri per la prote-zione di un circuito a 420 000 volt. Gli ingegneri europei han.

no sviluppato interruttori a olio con poco olio a seguito delgrande disastro avvenuto a Praga dopo la I guerra mondiale.

PLASMA COMPLETAMENTE IONIZZATO

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CONDUCIBILITÀ NON TERMICA

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104

102

102

Vicino al catodo di un i. ' '-tore in aria dopo l'apertura del circuito si forma una« carica spaziale », compos, di atomi con carica positiva (prevalentemente N + ), cheaiuta a ostacolare il reinnesco dell'arco quando il valore della corrente risale dopo ilpassaggio per lo zero. I pesanti ioni positivi rimangono vicini al catodo mentre glielettroni, che si muovono più rapidamente, sono attratti dall'anodo. La carica spazialeimpedisce il reinnesco dell'arco solo con tensioni inferiori a poche centinaia di volt.

valore zero. Tuttavia, a un esame piùapprofondito, questa soluzione presentaproblemi di sincronizzazione e di velo-cità d'apertura dei contatti cosi arduida non essere mai stata risolta soddisfa-centemente. Si può calcolare che se ilmezzo isolante è l'aria e se la tensioneè di 100 000 volt i contatti devono es-sere allontanati di un centomillesimo dicentimetro nel primo millesimo di mi-crosecondo dopo che la corrente ha as-sunto esattamente il valore zero e haricominciato a salire. Anche se questa

ACQUA PIOVANA distanza può sembrare piccolissima, il tempo per ottenerla è cosi breve che i

contatti devono essere accelerati conuna forza pari a 10 miliardi di volte laforza di gravità.

Essendo l'arco di plasma un mezzoinsostituibile per l'interruzione di circui-ti, il compito dell'ingegnere è di esami-nare le varie condizioni nelle quali gliarchi possono prodursi ed estinguersi.La diversità dei mezzi e delle pressioniin cui si forma l'arco può anche sem-brare sconcertante e illogica a chi nonsi occupa effettivamente di questo ge-nere di lavoro. Per esempio, mentrealcuni interruttori lavorano in un vuotodi un miliardesimo di atmosfera, altrifunzionano sotto una pressione di 60atmosfere. Vi sono interruttori che im-piegano olio — una sostanza ovviamente

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CONTATTO MOBILECONTATTO FISSO

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CONTATTO MOBILE CONTATTO FISSO

L'interruttore a soffiatore magnetico usa contatti a forma dicorna. A sinistra è mostrato un interruttore a bassa tensione.All'apertura del circuito si forma inizialmente un arco allabase delle corna (/). Un campo magnetico perpendicolare alpiano dello schema spinge poi l'arco verso l'esterno (2, 3 e 4).L'aria alla base delle corna ha quindi la possibilità di raffred-

darsi prima che la corrente risalga da zero. Anche l'interruttorea soffiatore magnetico a destra ha contatti a forma di corna,ma è progettato in maniera che l'arco (/ e 2) alla fine vienesuddiviso fra le piastre di metallo ravvicinate (3). Quando lacorrente ritorna al valore zero sulla piastra si viene a formareuna carica spaziale che impedisce l'ulteriore reinnesco dell'arco.

camera appropriata dove può o esserespinto magneticamente contro una su-perficie refrattaria, o frazionato in mol-ti brevi segmenti da piastre metalliche.In quest'ultimo caso il reinnesco deisingoli piccoli archi è ostacolato dalla

guaina di ioni positivi che si forma in-torno a ogni catodo. Gli interruttori asoffiatore magnetico testé descritti sonoefficaci con tensioni fino a 16 000 voli,ma per tensioni maggiori non possonocompetere con i tipi nei quali il con-

dotto dell'arco è deliberatamente raf-freddato quando la corrente passa peril valore zero, tanto rapidamente daevitarne il reinnesco.

Negli interruttori ad aria soffiata l'ar-co viene spento da un getto d'aria a

10-2

1 0 4

10

10-,

10

10-'4

METALLI

CARBONE

ACQUA SALATA

RESISTENZAA CARBURODI SILICIO

PORCELLANA

VETRO

34 35

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In questa figura sono rappresentati tre interruttori a olio cheadoperano sistemi leggermente diversi per raffreddare rapida.mente l'arco. In ogni caso il mezzo di raffreddamento è un gas,costituito prevalentemente da idrogeno prodotto dalla decom-posizione dell'olio in prossimità dell'arco. Nel primo progetto(a sinistra) vi sono incorporati degli scarichi di sicurezza che

1 2

si aprono se la pressione è eccessiva. Nel secondo progetto (alcentro) il circuito è interrotto da due contatti mobili che fun-zionano in successione. L'arco formato dalla coppia superioredi contatti produce un getto di gas che aiuta a spegnere l'arcoinferiore. Nel terzo (a destra) il contatto mobile apre gli sca-richi attraverso i quali può uscire il gas ad alta pressione.

3

L'interruttore a esafluoruro di zolfo per spegnere l'arco che siinnesca all'apertura dei contatti usa un gas pesante con «ce-zionali proprietà elettriche. È piú silenzioso di un interruttoread aria soffiata. L'unità qui mostrata riproduce un progetto svi-luppato dalla Westinghouse. Alla chiusura del circuito (1)l'esafluoruro di zolfo, a una pressione maggiore di 14 chilo-grammi per centimetro quadrato, circonda una camera interna

che contiene del gas a 0,35 chilogrammi per centimetro quadra.to. Quando l'interruttore è azionato (2), inizialmente fra i dentidi contatto e il contatto mobile si innesca un arco che però èimmediatamente spinto verso l'interno dalla corrente di gasad alta velocità. Quando l'arco è spento (3) il gas di esafluo-ruro di zolfo ad alta pressione circonda sia i contatti internisia i contatti esterni e agisce pertanto da ottimo isolante.

SEDE DELLAVALVOLA DIEFFLUSSO

CONTATTOMOBILE --

DENTI DICONTATTO

VALVOLADI EFFLUSSO'

CONTATTO MOBILE CONTATTO MOBILE

CFOSNSTOATTO

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CONTATTOFISSO

CONTATTOA MOLLA

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CONTATTOFISSO

CONTATTOMOBILE

MECCANISMOD'INTERRUZIONEA GETTO D'ARIA

CONTATTIPRINCIPALI

CONTATTIDI FORMAZIONE

DELL'ARCO

< > GETTO D'ARIA

ARIA AD ALTA PRESSIONE

CORRENTE AD ALTA TENSIONE

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Schema di un'unità per tensioni di 500 000 volt che è mostrata sulla copertina di que-sto numero di « Le Scienze ». La linea marcata in colore indica il percorso della cor.rente principale. Il trasformatore in basso fornisce una corrente a bassa tensione peril comando dello sganciamento del meccanismo di soffiatura dell'aria. All'inizio vengo-no separati i contatti principali ma l'arco non si forma perché la corrente è imme-diatamente shuntata sui contatti di formazione dell'arco disposti in serie a grosse re-sistenze. Quando, un istante dopo, questi si separano si innesca un arco fra ogni cop-pia di contatti. Simultaneamente gli archi sono colpiti da un getto d'aria ad alta velo-cità. Il violento getto d'aria assottiglia l'arco, come è mostrato nell'illustrazione in alto.

velocità supersonica proveniente da unugello (si veda l'illustrazione in questapagina). Nel tempo in cui la correntescende a zero, l'arco è stato allungatoin una colonna cosí sottile che trasmetterapidamente il calore per conduzionediretta alla massa circostante di ariafredda. La capacità dell'azoto (princi-pale componente dell'aria) di condurreil calore raggiunge un massimo intornoa 7000 gradi Kelvin, temperatura allaquale l'azoto allo stato atomico, pro-dotto nell'arco per dissociazione, ritor-na allo stato molecolare. Una singolacoppia di contatti ad aria soffiata puòinterrompere una tensione di circa100 000 voli: occorrono quindi variecoppie di contatti in serie per tensionidi varie centinaia di migliaia di volt.

Negli interruttori a olio l'arco si for-ma nell'olio. Il calore dell'arco fa eva-porare immediatamente l'olio circostan-te dissociandolo in carbonio e in unconsiderevole volume di idrogeno allostato gassoso e ad alta pressione. Conl'espansione l'idrogeno si raffredda edestingue l'arco. Negli interruttori a oliosi impiegano vari artifici per concentra-re il gas di idrogeno in fase di espan-sione sull'arco per ottenere il massimoeffetto di estinzione (si veda l'illustra-zione nella pagina a fronte in alto). La

biosc dell'idrogeno atomico inidrogeno molecolare non è d'importan-za decisiva ai fini del raffreddamentodell'arco, al contrario di quanto accadenegli interruttori ad aria soffiata con laricombinazione dell'azoto atomico inazoto molecolare. Il pregio principaledell'idrogeno è la sua grande conduci-bilità del calore, dovuta all'alta velo-cità delle sue leggerissime molecole.L'inconveniente principale è, natural-mente, il pericolo d'incendio quandoun interruttore a olio difettoso va inavaria sotto pressione, con conseguen-te possibilità di esplosione.

Circa 25 anni fa fu introdotto consuccesso come mezzo per l'estinzionedell'arco il pesante e incombustibile gasdi esafluoruro di zolfo (si veda l'illu-strazione nella pagina a fronte in bas-so). Una proprietà importante dell'esa-fluoruro di zolfo sè una forte affinità pergli elettroni. La molecola dell'esaflorurodi zolfo SF6, cattura velocemente qua-lunque elettrone libero formando un pe-sante ione negativo, SF- 6 . Si ha cosiuna tendenza all'allontanamento deglielettroni liberi e quindi un ostacolo al-la formazione di una valanga di elettro-ni che favorirebbe la riaccensione del-l'arco dopo che ha perduto la sua con-ducibilità. Tuttavia questo effetto nonagisce a temperature elevate, cioè pri-ma che l'arco sia spento, e quindi nonsi può spiegare pienamente il grandesuccesso dell'esafiuoruro di zolfo come

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SCHERMO PERIL VAPORE

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mezzo di estinzione dell'arco.Altri fattori a causa della sua effica-

cia sono le particolari energie richiesteper ionizzare la molecola e per disso-ciarlo nei suoi componenti atomici.L'esafluoruro di zolfo, a teTperaturaintorno a 2000 gradi Kelvin, sopportaun arco con tensioni piuttosto basse eche non sviluppa una grande quantitàdi calore. Quando la corrente si avvi-cina allo zero gli atomi di fluoro co-minciano a ricombinarsi con lo zolfoalla temperatura relativamente bassa di2000 gradi Kelvin (rispetto ai 7000 gra-di occorrenti per la ricombinazione de-gli atomi di azoto): si produce cosí unpicco marcato nella curva di conduzio-ne di calore nell'istante preciso in cuila scomparsa simultanea degli elettroni

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liberi e dello zolfo provoca la perditadella conducibilità elettrica del gas.

L'esafluoruro di zolfo, accanto a que-ste caratteristiche quasi ideali, ha alcu-ni gravi svantaggi. Mentre il compostoin se stesso è inerte, i prodotti dellasua decomposizione, zolfo e fluoro, so-no entrambi corrosivi: specialmente ilfluoro. Questo limita moltissimo la scel-ta dei materiali che possono essere usa-ti negli interruttori a esafluoruro di zol-fo (conduttori, isolanti e lubrificanti).Inoltre non è ammessa la minima trac-cia di umidità e ciò si traduce pratica-mente nell'impossibilità di aprire questidispositivi per il controllo e la manu-tenzione. A causa della pesantezza edella viscosità del gas è più difficile diquanto non lo sia con l'aria garantirne

il flusso necessario per raffreddare l'ar-co. Allo stesso tempo il gas si liquefamolto facilmente (a circa 10 gradi Cel-sius e alla normale pressione di funzio-namento di 17,5 kg/cm 2) per cui, sel'interruttore deve essere usato all'aper-to, deve essere riscaldato. Per tutte que-ste ragioni sembra dubbio che questi di-spositivi possano mai sostituire gli in-terruttori ad aria soffiata o quelli a olio.

L'interruttore sotto vuoto impiega ilprincipio più semplice di tutti: richiedesolo due contatti che possono essere se-parati in una camera sotto vuoto. Co-me in altri interruttori, all'apertura delcircuito si adesca un arco fra i contattiperchè l'aumento della densità di cor-rente fa evaporare una piccola quanti-tà del metallo di cui è costituito il con-tatto. Le particelle cosí vaporizzate sidiffondono quasi senza ostacoli verso lepareti della camera. Di conseguenza,quando il valore della corrente iniziaa risalire dopo essere passato per lo ze-ro, non esistono praticamente particel-le di qualunque tipo da ionizzare ingrado di costituire un ponte fra i con-tatti aperti. Sebbene l'idea dell'interrut-tore sotto vuoto sia molto vecchia, ledifficoltà pratiche di ottenere vuoti spin-ti in camere a tenuta che non devonoavere perdite apprezzabili per almeno20 anni hanno scoraggiato lo sviluppodi dispoitivi soddisfacenti fino a pocotempo fa.

Nessuno dei tipi di interruttori descrit-ti è soggetto a qualche limitazione

intrinseca per quanto riguarda la tensio-ne o la corrente, né si può affermarecategoricamente che un principio siamigliore di un altro. Il problema prin-cipale che si pone al progettista di uninterruttore non è la scelta del modomigliore di controllare l'arco, ma dellosfruttamento completo dei vantaggi of-ferti da un dato mezzo e della com-pensazione dei relativi svantaggi nellamaniera più sicura ed economica. Perquello che si può prevedere, sembraprobabile che gli interruttori ad ariasoffiata continueranno a essere favoritiper l'interruzione di correnti ad altis-sima intensità, le unità a esafluoruro dizolfo saranno preferite per sottostazio-ni coperte ad alta tensione, gli interrut-tori a olio rimarranno i più economiciper molti impieghi mentre quelli sottovuoto potrebbero diventare competitiviin applicazioni per medie tensioni sosti-tuendo i più voluminosi interruttori asoffiatore magnetico, se sarà possibileridurre i costi di fabbricazione. Anchepiù che in passato, le aziende di ser-vizio pubblico per l'elettricità dovrannopreoccuparsi negli impianti più grossie più critici della affidabilità degli in-terruttori impiegati.

VUOTO

L'interruttore sotto vuoto impiega il principio più semplice di tutti, ma il suo im.piego è limitato a tensioni sotto 20 000 volt ; è anche molto più costoso di altri tipi.L'arco iniziale è mantenuto da atomi e ioni di metallo liberati dalla vaporizzazionedei contatti nell'istante in cui essi si allontanano: queste particelle metalliche si dif.fondono immediatamente verso le pareti della camera sotto vuoto praticamente senzaostacoli e di conseguenza non sono disponibili per sostenere un reinnesco dell'arco.

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