All'interno del laboratorio che spinge al limite gli interruttori automatici della Supergrid

Jun 17, 2023

The Guardian: KEMA Laboratories testa un interruttore automatico in condizioni estreme per garantire che non si guasti quando è davvero importante.

Immagina una giornata incredibilmente calda nella Cina centrale, quando tutti i condizionatori d’aria in ogni megalopoli funzionano a pieno regime. Attraverso le remote montagne della provincia dello Shanxi, le principali linee di trasmissione che trasportano l’elettricità ad altissima tensione verso le città funzionano quasi alla massima capacità. Riscaldate dal sole e dalla corrente, le linee di trasmissione si afflosciano pericolosamente vicino alle cime degli alberi. All'improvviso la corrente salta dalla linea al ramo dell'albero, trovando il percorso di minor resistenza e riversandosi attraverso l'albero nel terreno. C'è un lampo luminoso mentre la corrente ionizza l'aria.

Durante questo cortocircuito, la corrente improvvisamente rilasciata raggiunge in un batter d'occhio da 10 a 20 volte il suo livello normale. Ora il sistema di protezione della rete elettrica deve agire rapidamente. Entro pochi millisecondi, i relè di protezione devono riconoscere il guasto e comandare agli interruttori automatici su entrambe le estremità della linea di interrompere la corrente, isolando la linea guasta. La posta in gioco è alta: una corrente di cortocircuito prolungata può innescare una reazione a catena di guasti in tutta la rete e causare blackout diffusi, danneggiando gravemente apparecchiature costose. Il blackout del 2003 nel nord-est del Nord America è stato innescato dal contatto di un albero con le linee di trasmissione in Ohio, che ha causato una cascata di guasti che hanno spento più di 260 centrali elettriche, interrotto il flusso di 60.000 megawatt in tutta la rete nord-orientale e oscurato New York. Città.

Nel nostro ipotetico cortocircuito cinese, tutto dipende dall’azione di enormi interruttori automatici. Proprio come un interruttore domestico, questi interruttori industriali aprono i loro contatti in una frazione di secondo, ma a causa dell'enorme quantità di energia nel sistema, la semplice separazione dei contatti non interrompe la corrente. Invece, la corrente crea un arco elettrico all'interno dell'interruttore. Quel piccolo spazio, che ha un volume di pochi litri, ora contiene un plasma ribollente che può raggiungere temperature di molte migliaia di gradi Celsius. L'interruttore non può contenere quel plasma a lungo; se non viene ripulito rapidamente, ci sarà una terribile esplosione.

Ora entra in gioco la natura alternata della corrente alternata: ogni volta che cambia direzione (ogni 10 millisecondi nel sistema cinese a 50 hertz), la corrente diventa temporaneamente zero e la fornitura di energia all'arco plasma si interrompe momentaneamente. È in uno di questi momenti di "corrente zero" che la corrente di guasto deve essere interrotta. In quel momento cruciale, un sistema di raffreddamento all’interno dell’interruttore inietta un getto di gas ad alta pressione nell’intercapedine, spazzando via ogni residuo del plasma caldo dell’arco.

Immediatamente dopo la scomparsa dell'arco e l'eliminazione del guasto, il sistema di alimentazione accelera nuovamente. In questo processo di recupero, la tensione attraverso l'intercapedine sale rapidamente fino a oltre 1 milione di volt prima di stabilizzarsi al normale livello operativo. Pertanto, nei microsecondi prima e dopo la corrente zero, i contatti devono passare dal convogliare circa 50 kiloampere di corrente attraverso l'arco plasma alla resistenza a 1 megavolt di tensione. Questo rapido cambiamento mette a dura prova i componenti dei demolitori.

La maggior parte dei sistemi di trasmissione ad alta tensione sono protetti dai cortocircuiti tramite interruttori automatici a gas. Questa animazione semplificata mostra il processo passo dopo passo attraverso il quale un interruttore interrompe il flusso di corrente pericolosamente elevato creato da un cortocircuito. Animazione: Erik Vrielink

Tuttavia gli interruttori automatici devono funzionare in modo impeccabile, perché la linea di trasmissione deve tornare in funzione. Devono funzionare anche se sono rimasti inattivi per lunghi periodi di tempo e con qualsiasi condizione atmosferica. Quindi, come può l'operatore della rete nel nostro esempio cinese avere fiducia che questi interruttori facciano il loro lavoro e garantiscano che una megalopoli non finisca al buio? Solo test rigorosi possono garantire questa tranquillità. Ricopro il ruolo di direttore dell'innovazione per KEMA Laboratories, una divisione olandese della società norvegese di consulenza e certificazione DNV GL. Il nostro compito: riprodurre in extremis le condizioni di esercizio stressanti di un sistema CA ad altissima tensione. Replicare questo ambiente è una sfida ingegneristica tremendamente difficile, ma è una sfida che deve essere affrontata se vogliamo soddisfare la domanda energetica dei prossimi decenni.