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La richiusura automatica ha risparmiato innumerevoli ore di interruzione non necessaria sugli alimentatori di distribuzione. Un guasto transitorio si estingue, l'interruttore si richiude e il sistema si ripristina senza che nessuno azioni un comando. Questa logica funziona molto bene sulle linee aeree, dove la maggior parte dei guasti è temporanea. Funziona molto meno bene quando all'altra estremità del cavo è collegato un motore a induzione da 500 kW che sta rallentando dopo uno scatto e la richiusura avviene proprio mentre la sua tensione residua decade, con un angolo di fase di 150° tra linea e macchina. Ne può risultare un picco di coppia meccanica sufficiente a tranciare un giunto dell'albero o danneggiare gli avvolgimenti del motore prima che una protezione possa intervenire.
Comprendere la logica di richiusura del VCB nelle applicazioni con alimentatori motore non è quindi un esercizio accademico. È una decisione ingegneristica pratica con conseguenze reali sulla durata delle apparecchiature, sulla sicurezza del personale e sull'affidabilità del sistema. Questo articolo illustra i principi della richiusura automatica, spiega perché i carichi motore creano pericoli specifici, individua le condizioni in cui la richiusura automatica deve essere disabilitata o bloccata e fornisce a ingegneri e tecnici un quadro strutturato per prendere correttamente tale decisione.
La richiusura automatica è nata per risolvere un problema specifico: i guasti temporanei sulle linee aeree di distribuzione. Fulmini, conduttori mossi dal vento, contatti con uccelli e caduta di rami causano la maggior parte dei guasti di distribuzione; molti di questi si estinguono spontaneamente dopo la scomparsa dell'arco. Gli studi condotti presso diverse aziende elettriche mostrano con coerenza che dal 70 all'85 percento dei guasti sulle linee aeree è transitorio. La richiusura automatica sfrutta questa caratteristica comandando la chiusura dell'interruttore dopo un tempo morto, normalmente compreso tra 0.3 secondi e alcuni secondi, secondo la filosofia di protezione.
La funzione monitora le uscite di scatto delle protezioni. Quando interviene un elemento di protezione abilitato e apre l'interruttore, l'elemento di richiusura automatica avvia un temporizzatore del tempo morto. Alla scadenza, se sono soddisfatte le condizioni di prontezza impostate, l'interruttore riceve un comando di chiusura. Se il guasto è cessato, il sistema si ripristina normalmente. In caso contrario, si verifica un secondo scatto e la funzione tenta un altro ciclo oppure va in blocco, in base al numero di tentativi programmato.
La documentazione ABB indica che la funzione di richiusura automatica può essere bloccata da segnali di scatto selezionati delle protezioni o da un ingresso digitale; inoltre, la posizione e lo stato dell'interruttore e la condizione di pronto alla chiusura sono ingressi rilevanti della sequenza. Questa architettura è importante: il meccanismo di blocco è una caratteristica fondamentale della funzione, non un'aggiunta secondaria. I progettisti hanno previsto che non tutti gli scatti debbano consentire una richiusura.
I moderni relè numerici di protezione utilizzano sempre più spesso modalità applicative esplicite per fornire funzioni appropriate ai diversi tipi di carico. Schneider Electric distingue le modalità applicative per alimentatore e per motore nella propria gamma di relè: funzioni dell'alimentatore come la richiusura automatica sono disponibili in modalità alimentatore, mentre la modalità motore offre la supervisione dell'avviamento e altre protezioni del motore. Le impostazioni devono quindi usare la modalità corretta per l'applicazione prevista. La guida Schneider Electric alle applicazioni dei relè è la fonte primaria per il requisito specifico del prodotto indicato qui.
Questa è una scelta progettuale significativa. Il costruttore del relè sta formalizzando il giudizio ingegneristico secondo cui la richiusura automatica e la protezione del motore appartengono a domini funzionali diversi. Abilitare la richiusura automatica in modalità motore richiederebbe al tecnico di superare deliberatamente il confine tra le modalità, inducendo così a valutare consapevolmente la scelta. Quando un relè è configurato correttamente in modalità motore, l'assenza della richiusura automatica non è una dimenticanza: riflette l'ingegneria dell'applicazione.
Per i tecnici che mettono in servizio quadri VCB su alimentatori motore, la configurazione del relè inizia quindi dalla selezione della modalità. Scegliere la modalità alimentatore su un alimentatore motore solo per accedere alla richiusura automatica è un'applicazione errata del relè. Il coordinamento delle protezioni richiesto da norme come IEC/EN 60947-4-1 — che, secondo le indicazioni Schneider sugli alimentatori motore, richiede il coordinamento tra componenti di protezione e controllo nel progetto dell'alimentatore — non può essere ottenuto se il relè funziona fuori dalla modalità prevista. Utilizzare le opzioni per interruttori in vuoto per confrontare le apparecchiature disponibili con il servizio previsto dal progetto prima di richiedere una configurazione definitiva.
Quando un motore a induzione in funzione perde l'alimentazione, non smette immediatamente di generare tensione ai terminali. Il flusso rotorico decade esponenzialmente con una costante di tempo che dipende dal progetto elettrico della macchina: tipicamente da 0.1 secondi per i motori piccoli a oltre un secondo per le macchine grandi ad alta inerzia. Durante questo decadimento il motore agisce da generatore, producendo una tensione ai terminali che varia sia in ampiezza sia in angolo di fase rispetto all'alimentazione.
Il pericolo si presenta quando l'alimentazione viene ripristinata prima che la tensione residua del motore sia scesa a un livello sicuro e prima che la relazione di fase tra tensione residua e alimentazione entrante sia favorevole. Se le due tensioni sono fuori fase, la differenza di tensione istantanea ai capi dei contatti dell'interruttore al momento della chiusura può arrivare fino al doppio della tensione nominale. La corrente di spunto risultante può raggiungere multipli della già elevata corrente di avviamento del motore e la coppia elettromagnetica può salire a valori molte volte superiori alla coppia nominale a pieno carico. Per la verifica dei dati nominali, confrontare queste condizioni con la guida alla scelta e ai valori nominali del VCB.
I sistemi meccanici sono normalmente dimensionati per la coppia di avviamento, non per la coppia di richiusura fuori fase. Giunti dell'albero, riduttori e macchine azionate possono subire danni che non si manifestano subito ma si accumulano con eventi ripetuti. Alcune apparecchiature — giranti di pompe, pistoni di compressori, pale di turbine — non tollerano affatto lo shock. Gli avvolgimenti del motore possono inoltre subire sollecitazioni dell'isolamento tra le spire che ne riducono la vita utile.
Per questi motivi, il tempo morto usato nella richiusura automatica delle linee aeree — spesso inferiore a un secondo nei sistemi di distribuzione — è del tutto inadeguato per la maggior parte delle applicazioni motore. Anche un tempo morto di tre secondi può essere insufficiente per un motore grande ad alta inerzia.
Non esiste un'unica regola universale, ma la pratica ingegneristica e le indicazioni dei costruttori di relè concordano su diverse condizioni che, singolarmente o insieme, impongono di disabilitare o bloccare la richiusura automatica.
**L'alimentatore serve un unico motore di grandi dimensioni.** Se tutto il carico dell'alimentatore è costituito da un solo motore, la richiusura non offre alcun vantaggio di diversificazione. Dopo ogni scatto, il motore si trova in una fase di decadimento della tensione residua, qualunque sia la causa. Senza controllo di sincronismo o supervisione della tensione residua, la richiusura non è sicura.
**Il motore aziona un processo critico o apparecchiature fragili.** Le pompe HVAC possono tollerare occasionalmente uno shock meglio dei compressori monovite o delle centrifughe. Quando l'apparecchiatura azionata ha una bassa tolleranza meccanica ai transitori di coppia, la richiusura automatica deve essere esclusa.
**Il sistema di protezione non può garantire la selettività del guasto.** La richiusura automatica su un alimentatore presuppone che il relè sappia distinguere un guasto sul cavo dell'alimentatore da un guasto interno al motore. Un guasto negli avvolgimenti del motore non cesserà durante il tempo morto. Una richiusura su un guasto degli avvolgimenti può ampliare notevolmente il danno. Se non sono disponibili la protezione differenziale o altri sistemi di rilevamento dei guasti interni al motore, il bilancio rischi-benefici favorisce il blocco.
**Il relè è configurato in modalità applicativa motore.** Come indicato sopra, la modalità motore dei moderni relè numerici generalmente esclude la richiusura automatica dalle funzioni disponibili. Se la modalità del relè è stata impostata correttamente per l'applicazione motore, la richiusura automatica non deve essere abilitata.
**La continuità del processo richiede un riavvio controllato.** Molti processi industriali richiedono un riavvio controllato e sequenziale dopo uno scatto. La richiusura automatica aggira gli interblocchi di riavvio del sistema di controllo del processo e può riavviare un motore prima che le condizioni meccaniche siano sicure per il processo azionato.
**Il sistema elettrico usa la protezione d'unità per il motore.** Quando il VCB fa parte di uno schema di protezione d'unità che comprende elementi differenziali per il motore, uno scatto differenziale non deve provocare la richiusura automatica. Lo scatto differenziale deve essere configurato come ingresso di blocco della funzione di richiusura, usando l'architettura d'ingresso digitale descritta nella documentazione ABB sui relè.
Se un relè è installato in modalità alimentatore ma serve anche motori su un alimentatore misto, la soluzione ingegneristica appropriata è il blocco selettivo della richiusura automatica per determinati tipi di scatto. L'architettura ABB fornisce un modello: la funzione di richiusura automatica può essere bloccata da segnali selezionati di scatto delle protezioni o da un ingresso digitale.
In pratica, i segnali di uscita delle protezioni vanno assegnati all'ingresso di blocco della richiusura in base agli elementi che devono impedirla. Gli scatti per sovracorrente dovuti a guasti a valle del motore, gli scatti per guasti a terra del telaio del motore e gli scatti per sovraccarico termico devono tutti alimentare la logica di blocco. Gli scatti per sovracorrente dovuti a guasti a monte o guasti del cavo dell'alimentatore, quando il tecnico è certo che il guasto riguardasse il cavo e non il motore, possono consentire un tentativo di richiusura, subordinato alla supervisione della tensione residua. Consultare la guida alla risoluzione dei guasti di chiusura/apertura dell’interruttore per distinguere, dopo una mancata manovra, le cause relative a circuito di controllo, bobine, interblocchi e meccanismo.
La supervisione della tensione residua, realizzata come controllo di minima tensione sul trasformatore di tensione delle sbarre lato carico, offre un ulteriore livello di sicurezza. Se al termine del tempo morto la tensione lato carico non è scesa sotto una soglia — ad esempio dal 20 al 25 percento del valore nominale — il comando di chiusura viene inibito e la richiusura si blocca. È un principio analogo al relè di controllo del sincronismo usato nelle applicazioni di generazione e fornisce una salvaguardia basata su una misura diretta anziché affidarsi soltanto a un temporizzatore.
Il VCB stesso deve essere pronto a chiudere in modo affidabile quando riceve il comando. I contatti di posizione dell'interruttore, i contatti di stato della molla caricata e lo stato del relè anti-pompaggio concorrono alla condizione di pronto alla chiusura. Se il VCB non è riuscito a caricare la molla di chiusura entro il tempo consentito — scenario trattato in dettaglio nelle guide diagnostiche dei guasti di chiusura e apertura — la sequenza di richiusura deve essere annullata invece di inviare un comando che non verrà eseguito.
La messa in servizio di un VCB su un alimentatore motore richiede una verifica esplicita della corretta configurazione della logica di richiusura. I controlli seguenti devono far parte della documentazione delle prove di accettazione in fabbrica e in sito. La guida alla verifica VCB FAT/SAT fornisce una struttura complementare per criteri di accettazione, risultati e registrazioni di chiusura.
Per prima cosa, confermare la modalità applicativa del relè. Per un alimentatore dedicato a un motore, il relè deve essere in modalità motore e la funzione di richiusura automatica deve essere assente o inibita. Se per qualsiasi motivo il relè è in modalità alimentatore, verificare che gli ingressi di blocco siano assegnati correttamente.
In secondo luogo, iniettare corrente di prova attraverso ciascun elemento di protezione che deve bloccare la richiusura e verificare che il segnale di blocco raggiunga la funzione di richiusura e inibisca il comando di chiusura. La prova deve essere eseguita separatamente per ogni elemento.
In terzo luogo, verificare le impostazioni del tempo morto. Se è consentita la richiusura automatica per un elemento di scatto, confermare che il tempo morto sia sufficiente a far decadere la tensione residua del motore. Per motori superiori a circa 150 kW si applica comunemente un tempo morto minimo da cinque a dieci secondi; per macchine molto grandi servono tempi più lunghi o la supervisione della tensione residua.
In quarto luogo, verificare il controllo di prontezza dell'interruttore. Con il VCB aperto e la molla scarica, accertarsi che il comando di richiusura sia inibito finché la molla non viene ricaricata e non è soddisfatta la condizione di pronto alla chiusura.
In quinto luogo, provare il comportamento di blocco. Dopo il numero massimo di tentativi di richiusura programmati, verificare che la funzione si blocchi e richieda un ripristino manuale, impedendo ulteriori comandi automatici di chiusura.
Il motivo principale è il rischio di richiudere fuori fase su un motore che sta ancora generando tensione residua. Quando un motore in funzione scatta, il flusso rotorico decade gradualmente e la tensione ai terminali varia di fase rispetto all'alimentazione. Se il VCB si richiude prima che la tensione residua sia scesa a un livello sicuro, la differenza di tensione ai contatti al momento della chiusura può generare correnti di spunto e picchi di coppia che danneggiano gli avvolgimenti, i giunti dell'albero e le apparecchiature azionate. A differenza dei guasti sulle linee aeree, spesso transitori e autoestinguenti, i guasti del motore o le interruzioni di alimentazione non beneficiano della stessa logica che giustifica la richiusura automatica sugli alimentatori di distribuzione.
La modalità applicativa del relè è un meccanismo di configurazione che determina quali funzioni di protezione e controllo sono disponibili. I relè Schneider Electric, ad esempio, separano la modalità alimentatore — che include la richiusura automatica — dalla modalità motore, che offre la supervisione dell'avviamento e protezioni specifiche per il motore. Impostare la modalità motore per un'applicazione con alimentatore motore esclude quindi strutturalmente la richiusura automatica dalle funzioni disponibili. Non è una limitazione, ma una caratteristica di progetto che impone una corretta ingegneria applicativa. I tecnici non devono aggirarla selezionando la modalità alimentatore soltanto per accedere alla richiusura automatica, poiché ciò comprometterebbe il coordinamento complessivo delle protezioni richiesto dalla IEC/EN 60947-4-1.
Un ingresso di blocco è un percorso di segnale che, quando attivato, impedisce alla funzione di richiusura automatica di emettere un comando di chiusura, indipendentemente dal fatto che il tempo morto sia terminato o che l'interruttore sia altrimenti pronto. L'architettura dei relè ABB include esplicitamente questa capacità, consentendo a segnali selezionati di scatto delle protezioni o a ingressi digitali esterni di inibire la richiusura. Negli alimentatori motore questo meccanismo assicura che gli scatti originati dalla protezione differenziale del motore, dagli elementi di sovraccarico termico o dai guasti a terra non avviino un ciclo di richiusura. Il tecnico seleziona quali segnali di scatto consentono la richiusura e quali impongono il blocco, realizzando la distinzione mediante la mappatura dell'ingresso di blocco del relè.
La supervisione della tensione residua è un interblocco basato su misure che controlla la tensione sul lato carico del VCB dopo uno scatto. Se alla fine del tempo morto la tensione residua in decadimento del motore non è scesa sotto una soglia definita — tipicamente dal 20 al 25 percento della tensione nominale — la funzione di richiusura automatica viene inibita e il ciclo si blocca invece di procedere. In questo modo si misura direttamente lo stato fisico del motore anziché affidarsi soltanto a un tempo morto fisso. È particolarmente importante per motori grandi ad alta inerzia, che possono mantenere una tensione residua significativa per diversi secondi dopo la disconnessione; il principio è analogo al relè di controllo del sincronismo usato nelle applicazioni con generatori.
La corretta messa in servizio comprende diverse fasi di verifica distinte, da documentare nei registri sia delle prove di accettazione in fabbrica sia di quelle in sito. I tecnici devono prima confermare la modalità applicativa del relè e verificare che la richiusura automatica sia assente o correttamente inibita. Per i relè in modalità alimentatore, ogni elemento di protezione che deve bloccare la richiusura va provato singolarmente iniettando corrente di prova e confermando che il segnale di blocco raggiunga e inibisca la funzione. Le impostazioni del tempo morto devono essere adeguate alle dimensioni del motore, con tempi più lunghi o supervisione della tensione residua per le macchine più grandi. Il controllo di prontezza dell'interruttore deve essere provato con la molla scarica per confermare l'inibizione dei comandi di chiusura. Infine, va verificato il blocco dopo il numero massimo di tentativi, accertando che sia necessario il ripristino manuale prima di qualsiasi ulteriore tentativo automatico di chiusura.
