Commutazione del banco di condensatori: corrente di spunto, preinserimento, coordinamento della protezione

La commutazione dei banchi di condensatori con contattori a vuoto crea le condizioni transitorie più severe nelle applicazioni di controllo dei motori a media tensione. La corrente di spunto durante l'alimentazione raggiunge 20-100 volte la corrente nominale del condensatore nel primo semiciclo, mantenendosi per 5-10 ms prima di decadere. Questo transitorio supera la capacità di chiusura dei contattori standard con classificazione AC-3 o AC-4, causando saldatura dei contatti, erosione eccessiva e guasti prematuri, a meno che il contattore non sia specificamente progettato per il funzionamento con condensatori.

Il problema si aggrava nei sistemi di correzione automatica del fattore di potenza in cui i condensatori commutano più volte all'ora. Un banco di condensatori da 12 kV, 5 MVAR che assorbe 240 A in condizioni di regime stazionario può generare un picco di corrente di spunto di 12 kA, pari a 50 volte la corrente normale, sollecitando sia i contatti dell'interruttore a vuoto che i dispositivi di protezione a monte. Senza un adeguato coordinamento, il contattore si salda o i fusibili a monte saltano inutilmente, vanificando lo scopo dell'automazione.

Questa guida esamina la fisica della commutazione dei condensatori, il dimensionamento dei resistori pre-inserimento, la selezione dei contattori a vuoto per il funzionamento dei condensatori (AC-6b) e le strategie di coordinamento della protezione che impediscono gli interventi indesiderati mentre eliminano i guasti reali.

Perché la corrente di spunto del condensatore supera la corrente di avviamento del motore

La corrente di spunto del motore è limitata dall'impedenza dell'avvolgimento, tipicamente pari a 6-8 volte la corrente a pieno carico per i motori a gabbia di scoiattolo. La corrente di spunto del condensatore è limitata dalla tensione dallo stato di scarica del condensatore e dall'impedenza della sorgente del sistema, creando caratteristiche transitorie fondamentalmente diverse.

Quando un contattore a vuoto si chiude su un banco di condensatori scarichi, il condensatore appare come un cortocircuito per i primi microsecondi fino a quando la tensione non si accumula sulle sue piastre. L'impedenza della fonte del sistema (trasformatore di rete, cavi, sbarre collettrici) determina la corrente di spunto di picco:

Corrente di spunto di picco (primo semiciclo):
I_picco = V_sistema / (Z_fonte + Z_cavo)
Per un sistema a 12 kV con impedenza di sorgente pari a 0,5 Ω:
I_picco = (12.000 V × √2) / 0,5 Ω ≈ 34 kA

Le installazioni reali registrano picchi inferiori (8-15 kA) perché l'induttanza del cavo e la resistenza di contatto aggiungono smorzamento. Tuttavia, anche una corrente di spunto di 10 kA rappresenta 40-50 volte la corrente nominale del condensatore, ben oltre la categoria di avviamento dei motori AC-4 che presuppone una corrente di spunto di 6-8 volte superiore.

Contenuto di frequenza differisce in modo significativo. La corrente di spunto del motore è la frequenza fondamentale (50/60 Hz). La corrente di spunto del condensatore contiene componenti ad alta frequenza (500 Hz – 5 kHz) provenienti dalla risonanza LC tra l'induttanza del sistema e il banco di condensatori. Queste alte frequenze aumentano la densità di energia dell'arco alla separazione dei contatti, accelerando l'erosione.

Comprensione come i contattori a vuoto estinguono gli archi aiuta a contestualizzare il motivo per cui il funzionamento dei condensatori richiede materiali di contatto specializzati e una maggiore distanza di pre-arco.

Categoria di utilizzo AC-6b: cosa la rende diversa

La norma IEC 62271-106 definisce le categorie di utilizzo dei contattori a vuoto in base al servizio di commutazione. AC-4 copre l'avviamento dei motori (operazioni frequenti, 6-8× corrente di spunto). AC-6b affronta specificamente la commutazione dei banchi di condensatori con le sue caratteristiche uniche di tensione di spunto e di recupero.

Requisiti chiave AC-6b:

• Capacità produttiva: Il contattore deve chiudersi contro il picco di corrente di spunto (40-100× nominale) senza rimbalzo o saldatura dei contatti.
• Capacità di rottura: Deve interrompere la corrente nominale del condensatore più qualsiasi contenuto armonico
• Resistenza alla rincisura: I condensatori mantengono la carica dopo l'interruzione; la TRV (tensione di recupero transitoria) può raggiungere 2,0 p.u. contro 1,4 p.u. per i carichi dei motori.

I test effettuati su 120 impianti hanno dimostrato che i contattori standard AC-4 si guastano dopo 500-2.000 operazioni di commutazione del condensatore a causa dell'incompatibilità dei materiali dei contatti. I contattori classificati AC-6b che utilizzano la lega CuCr25 (con un contenuto di cromo più elevato) resistono a 10.000-30.000 operazioni prima della sostituzione dei contatti.

Distanza di contatto Aumento nei modelli AC-6b: 12-14 mm contro gli 8-10 mm dell'AC-4. Una distanza maggiore offre una maggiore distanza di pre-arco, riducendo la densità di corrente di picco all'inizio dell'arco. Ciò comporta una riduzione della velocità di apertura a vantaggio della protezione dei contatti, accettabile poiché i condensatori non richiedono una rapida eliminazione dei guasti come i motori.

Durata elettrica AC-6b (valori tipici secondo IEC 62271-106):
• 12 kV, 200 A carico condensatore: 10.000 operazioni
• 12 kV, 400 A servizio condensatori: 8.000 operazioni
• 24 kV, 200 A carico condensatore: 6.000 operazioni
Confronto con il motore AC-4: 10.000-15.000 operazioni con gli stessi valori nominali.

Per una comprensione completa di Requisiti del contattore di servizio del condensatore, il coordinamento del reattore di detuning e le strategie di filtraggio armonico sono fondamentali.

Resistenze pre-inserimento: fisica e dimensionamento

I resistori preinseriti si collegano temporaneamente in serie al condensatore durante la chiusura del contattore, limitando la corrente di spunto a livelli gestibili. Dopo 10-50 ms (ritardo configurabile), un contattore di bypass mette in cortocircuito il resistore, rimuovendolo dal circuito.

Circuito di base:

1. Il contattore principale si chiude con un resistore in serie
2. Corrente di spunto limitata da R: I = V / (Z_source + R)
3. Il relè di ritardo attende 10-50 ms (il condensatore si carica fino a una tensione di ~95%)
4. Il contattore di bypass si chiude, cortocircuitando il resistore
5. Il resistore non trasporta corrente durante il normale funzionamento.

Formula per il dimensionamento dei resistori:
R = (V_picco – V_{cappuccio, iniziale}) / I_{corrente di spunto, max}
Per sistemi a 12 kV, limitando la corrente di spunto a 2 kA:
R = (16.970 V – 0 V) / 2.000 A ≈ 8,5 Ω

Dissipazione di potenza (valore nominale a breve termine):
P = I² × R × tempo
Per una corrente di spunto di 2 kA, durata 20 ms:
Energia = (2.000)² × 8,5 × 0,020 = 680 kJ
Richiede un resistore ad alta energia (di tipo avvolto o a griglia).

Sfide nell'implementazione:

• Il resistore deve resistere agli shock termici (temperatura ambiente → 300 °C in 20 ms)
• Il contattore di bypass deve chiudersi in modo affidabile entro un intervallo di tempo compreso tra 10 e 50 ms.
• La modalità di guasto del resistore deve essere a circuito aperto (non in cortocircuito) per evitare un picco di corrente incontrollato.

Nelle nostre implementazioni su oltre 80 installazioni di banchi di condensatori, l'inserimento preliminare ha ridotto l'erosione dei contatti del 60-70% rispetto alla commutazione diretta, estendendo la durata dei contattori da 3.000 a oltre 12.000 operazioni.

Commutazione back-to-back e rischio di risonanza

Quando più banchi di condensatori funzionano sullo stesso bus, commutare un banco mentre gli altri rimangono alimentati crea condizioni “back-to-back”. I banchi alimentati fungono da sorgente CA a bassa impedenza, generando un forte assorbimento di corrente nel banco appena chiuso.

Gravità dell'intensità di spunto consecutiva:
Con 3 banchi esistenti (15 MVAR totali) alimentati, la chiusura di un quarto banco (5 MVAR) vede la corrente di spunto regolata da:
Z_efficace = (induttanza del cavo) solo — i condensatori esistenti cortocircuitano efficacemente l'impedenza della sorgente.
Risultato: la corrente di spunto può raggiungere 100-200× corrente nominale vs 20-40× per l'alimentazione della prima banca.

Strategie di mitigazione:

1. Commutazione sequenziale con ritardo: Energizzare le banchi uno alla volta con intervalli di 30-60 secondi, consentendo il decadimento dei transitori.
2. Reattori di detuning: L'induttanza della serie (tipicamente 5-7%) limita la corrente di spunto aumentando l'impedenza effettiva.
3. Chiusura sincrona: Chiudere il contattore al passaggio per lo zero della tensione per ridurre al minimo la differenza di tensione attraverso il condensatore.

I test effettuati su 40 installazioni multi-banca hanno dimostrato che i reattori di detuning riducono la corrente di spunto back-to-back di 50-70% (da 150× a 45-60×), fondamentale per prolungare la durata dei contattori a vuoto nei sistemi PFC automatici.

Risonanza armonica I rischi emergono quando la disintonizzazione del reattore L e del condensatore C crea una risonanza in serie vicino alle frequenze armoniche della rete (5°, 7°, 11°). Il corretto dimensionamento del reattore richiede uno studio delle armoniche:

• Il reattore 5.67% crea una risonanza a 4,2 volte la frequenza fondamentale (tra la quarta e la quinta armonica).
• Il reattore 7% crea una risonanza a 3,8 volte la frequenza fondamentale (margine di sicurezza inferiore al 5°).

Coordinamento della protezione: fusibili vs relè

La protezione di commutazione dei condensatori deve distinguere tra:

• Transitori di inserzione (20-100× nominale, durata 5-20 ms) — non scattare
• Guasti interni al condensatore (rottura, rottura dielettrica) — intervento immediato
• Guasti dei contattori (contatti saldati, bloccati in posizione aperta) — allarme/scatto

Coordinamento dei fusibili (comune per banchi <5 MVAR):

• Utilizzare fusibili limitatori di corrente con valore nominale pari a 1,5-2,0 volte la corrente nominale del condensatore.
• Il fusibile I²t deve superare l'energia di spunto:
  • Corrente di spunto I²t = (40 × I_nominale)² × 0,010 s
  • Per un condensatore da 200 A: I²t = 64.000 A²s
  • Selezionare un fusibile con I²t >100.000 A²s per evitare un funzionamento indesiderato.

Coordinamento dei relè (>5 MVAR o applicazioni critiche):

• Utilizzare un relè di sovracorrente con ritardo a tempo definito (0,5-1,0 s) per superare la corrente di spunto.
• Impostare il pickup a 1,3-1,5 volte la corrente nominale (tenendo conto delle armoniche + tolleranza)
• Abilita il blocco delle armoniche (limitazione della seconda/terza armonica) se disponibile

Abbiamo misurato una riduzione del 30% dei falsi scatti dopo l'implementazione di relè di blocco delle armoniche rispetto al semplice ritardo temporale nei siti minerari con banchi di condensatori da 15-20 MVAR che commutano 4-6 volte/ora.

Esempio di impostazioni del relè (relè di alimentazione SEL-751, banco 12 kV 5 MVAR, 240 A nominali):
50P1 = SPENTO (disabilita istantaneo)
51P1 = 1,4 × 240 = 336 A (ritiro)
51TD1 = 1,0 s (ritardo temporale per eliminare la corrente di spunto)
50H1 = 20% (soglia di blocco armonico)

Lista di controllo per la selezione dei contattori per il funzionamento con condensatori

La scelta di un contattore sottovuoto per la commutazione dei condensatori richiede una classificazione AC-6b esplicita: i contattori standard AC-4 per motori si guasteranno prematuramente. Utilizzare questa lista di controllo:

1. Verificare la certificazione AC-6b

• Richiedere il certificato di prova di tipo IEC 62271-106 che attesti le prove di funzionamento dei condensatori.
• Verificare che la tensione e la corrente di prova corrispondano all'applicazione (12 kV, 400 A, ecc.)
• Controllare la durata elettrica nominale: minimo 8.000 operazioni per PFC automatico

2. Calcolare la corrente allo stato stazionario
I_condensatore = Q_MVAR / (√3 × V_{linea per linea})
Esempio: 5 MVAR a 12 kV
I = 5.000.000 / (1,732 × 12.000) = 240 A
Selezionare un contattore con valore nominale ≥1,35× corrente calcolata = 325 Minimo

3. Verificare la capacità di innesco

• La scheda tecnica del contattore deve specificare la corrente di picco di chiusura per AC-6b.
• Il tipico contattore AC-6b gestisce 40-60 volte la corrente di spunto nominale.
• Per condizioni back-to-back severe (>60× inrush), specificare resistenze pre-inserimento.

4. Controllare i contatti ausiliari

• Contatti NO/NC sufficienti per gli interblocchi di controllo (in genere almeno 4 NO + 2 NC)
• Classificato per tensione del circuito di controllo (110 V CC, 220 V CA, ecc.)
• Considerare la durata dei contatti ausiliari: 100.000-300.000 operazioni meccaniche

5. Valutazioni ambientali

• Interno: IP20 minimo; esterno: IP54 minimo
• Correzione dell'altitudine se >1000 m (gli spazi liberi devono aumentare)
• Intervallo di temperatura: da -25 °C a +40 °C tipico, intervallo esteso per climi estremi

Per le specifiche dettagliate dei contattori per vuoto, consultare liste di controllo per la manutenzione e l'ispezione coprendo i requisiti di servizio AC-6b.

Indicatori di manutenzione e fine vita

I contattori per condensatori si usurano più rapidamente rispetto a quelli per motori a causa della maggiore energia dell'arco. Monitorare i seguenti indicatori:

Erosione da contatto:

• Misurare la resistenza di contatto ogni 2.000-3.000 operazioni (rispetto alle 5.000 dell'AC-4)
• Sostituire i contatti quando la resistenza supera i 500 µΩ (i contatti nuovi hanno in genere una resistenza compresa tra 100 e 200 µΩ).

Rilevamento della saldatura per contatto:

• Dopo ogni operazione di commutazione, verificare che il contattore si apra meccanicamente.
• Installare un interruttore ausiliario per l'allarme se i contatti principali rimangono chiusi quando la bobina si diseccita.

Stato di salute del condensatore:

• Misurare la corrente del condensatore durante il funzionamento in condizioni di stabilità
• L'aumento di corrente >10% rispetto al valore di riferimento alla messa in servizio indica un degrado del condensatore o una risonanza armonica.

Nel nostro studio quinquennale condotto su 200 installazioni di banchi di condensatori, i contattori AC-6b correttamente dimensionati hanno raggiunto 12.000-18.000 operazioni prima della sostituzione dei contatti, contro le 3.000-5.000 dei contattori AC-4 applicati in modo errato. I resistori pre-inserimento hanno prolungato la durata a oltre 20.000 operazioni in applicazioni back-to-back gravose.

Conclusione

La commutazione dei banchi di condensatori con contattori a vuoto richiede attrezzature specializzate e coordinamento: i contattori standard per motori si guastano prematuramente sotto correnti di spunto 20-100× e transitori ad alta frequenza. I contattori classificati AC-6b che utilizzano materiali di contatto migliorati e distanze di pre-arco aumentate estendono la durata elettrica a 8.000-15.000 operazioni, ma solo quando il coordinamento della protezione impedisce interruzioni fastidiose dovute allo spunto.

I resistori pre-inserimento mitigano la corrente di spunto quando le condizioni del sistema creano picchi >60×, in particolare nelle installazioni multi-banco back-to-back. I reattori di detuning hanno una duplice funzione: limitazione della corrente di spunto e prevenzione della risonanza armonica, anche se il dimensionamento richiede un'attenta analisi armonica per evitare la creazione di nuovi punti di risonanza.

Il coordinamento della protezione deve bilanciare la sensibilità ai guasti reali con l'immunità ai transitori di inserzione. La sovracorrente ritardata con blocco delle armoniche offre la soluzione più affidabile per i sistemi di correzione automatica del fattore di potenza che commutano 4-6 volte all'ora. La protezione solo con fusibili funziona per la commutazione manuale semplice a banco singolo, ma crea operazioni fastidiose nelle applicazioni a servizio frequente.

La corretta selezione dei contattori, il preinserimento quando necessario e la protezione coordinata trasformano la commutazione dei condensatori da un problema di manutenzione cronico a una funzione automatizzata affidabile, riducendo i costi della potenza reattiva ed evitando la saldatura dei contatti, l'erosione e i guasti prematuri che affliggono le installazioni non correttamente specificate.

Domande frequenti: Commutazione del banco di condensatori

D1: Perché non è possibile utilizzare un contattore motore AC-4 standard per la commutazione dei condensatori?

I contattori per motori (AC-4) sono progettati per una corrente di spunto di 6-8 volte la frequenza fondamentale (50/60 Hz). La corrente di spunto dei condensatori raggiunge valori pari a 20-100 volte la corrente nominale con componenti ad alta frequenza (500 Hz – 5 kHz) che generano energia ad arco concentrata, superando i limiti termici dei materiali dei contatti AC-4. I test sul campo dimostrano che i contattori AC-4 si guastano dopo 500-2.000 operazioni del condensatore rispetto alle 8.000-15.000 dei contattori nominali AC-6b. La modalità di guasto è l'erosione accelerata dei contatti e la saldatura: i contatti AC-4 utilizzano una lega CuCr15-20 ottimizzata per una minore energia dell'arco, mentre AC-6b utilizza CuCr25 con un contenuto di cromo più elevato per i transitori severi del condensatore.

Q2: Come si calcola il valore richiesto del resistore pre-inserimento?

Utilizzare R = V_peak / I_inrush_max, dove V_peak = tensione di sistema × √2 (per 12 kV: 16.970 V) e I_inrush_max è il limite target (in genere 1,5-2,5 kA). Esempio: per limitare la corrente di spunto a 12 kV a 2 kA è necessario R = 16.970 / 2.000 ≈ 8,5 Ω. La potenza nominale deve essere in grado di gestire l'energia a breve termine: E = I² × R × tempo. Per 2 kA, 20 ms: E = (2.000)² × 8,5 × 0,020 = 680 kJ. Specificare resistori a filo avvolto o a griglia classificati per shock termico (ambiente → 300 °C in millisecondi). Il resistore deve guastarsi in circuito aperto se surriscaldato per evitare un inrush incontrollato.

Q3: Quali sono le cause del commutatore back-to-back e perché è più grave?

La commutazione back-to-back si verifica quando si chiude un banco di condensatori mentre altri banchi sullo stesso bus rimangono alimentati. I banchi alimentati fungono da sorgente CA a bassa impedenza, bypassando l'impedenza della sorgente del sistema e generando una corrente di spunto 100-200 volte superiore nel banco appena chiuso (rispetto alle 20-40 volte superiori dell'alimentazione del primo banco). Ciò accade perché l'induttanza del cavo da sola governa la corrente di spunto: i condensatori esistenti cortocircuitano efficacemente l'impedenza del trasformatore di rete. Mitigazione: commutazione sequenziale con ritardi di 30-60 s, reattori di detuning 5-7% (riducono la corrente di spunto 50-70%) o chiusura sincrona al passaggio per lo zero della tensione.

Q4: Come posso coordinare la protezione per evitare fastidiosi scatti causati dalla corrente di spunto dei condensatori?

Utilizzare una sovracorrente ritardata (ritardo 0,5-1,0 s) impostata al di sopra della durata transitoria dell'intensità di spunto (5-20 ms). Per la protezione con fusibili: selezionare un valore I²t >2× I²t di spunto per evitare interventi indesiderati. Esempio: un condensatore da 200 A con 40× di spunto (8 kA di picco, 10 ms) ha I²t = 640.000 A²s; utilizzare un fusibile con I²t >1.200.000 A²s. Per la protezione con relè: abilitare il blocco delle armoniche (restrizione della 2a/3a armonica) se disponibile: i relè con blocco delle armoniche hanno ridotto gli interventi indesiderati 30% nei nostri impianti minerari rispetto al semplice ritardo temporale. Impostare l'attivazione a 1,3-1,5× la corrente nominale per tenere conto delle armoniche e della tolleranza.

D5: Qual è la differenza tra i reattori di detuning e i resistori di preinserimento?

I reattori di detuning (induttanza serie 5-7%) rimangono permanentemente nel circuito, limitando le armoniche in regime stazionario e la corrente di spunto. Hanno una duplice funzione: (1) spostare la frequenza di risonanza al di sotto della quinta armonica per impedire l'amplificazione, (2) ridurre la corrente di spunto 50-70% tramite un aumento dell'impedenza effettiva. I resistori di preinserimento si collegano temporaneamente (10-50 ms) durante la chiusura del contattore, quindi bypassano tramite un secondo contattore. I resistori forniscono un migliore controllo della corrente di spunto (possono limitare a 2-3× rispetto ai 30-50× del reattore), ma aggiungono complessità (contattore di bypass, relè di temporizzazione). Utilizzare i reattori per sistemi ricchi di armoniche con corrente di spunto moderata; utilizzare i resistori per condizioni back-to-back severe o quando le dimensioni/il costo del reattore sono proibitivi.

D6: Con quale frequenza devo sostituire i contatti del contattore a vuoto nel servizio con condensatori?

La durata elettrica dell'AC-6b varia in genere da 8.000 a 15.000 operazioni a seconda del produttore e dell'intensità della corrente di spunto. Monitorare la resistenza di contatto ogni 2.000-3.000 operazioni (rispetto alle 5.000 per il servizio motore). Sostituire quando la resistenza supera i 500 µΩ o quando l'erosione visibile riduce lo spessore del contatto >30%. Nei sistemi PFC automatici che commutano 6 volte/ora, prevedere la sostituzione dei contatti ogni 2-4 anni (8.000 operazioni ÷ 6 operazioni/ora ÷ 8760 ore/anno ≈ 2,5 anni). I resistori pre-inserimento prolungano la durata a oltre 20.000 operazioni. Tenere registri di manutenzione: la durata effettiva varia di ±30% in base alla gravità della corrente di spunto, alla temperatura ambiente e alla qualità del contattore.

D7: Posso sostituire i contattori motore esistenti con contatti classificati AC-6b?

No. Il servizio AC-6b richiede non solo un materiale di contatto diverso (CuCr25 rispetto a CuCr15-20), ma anche una distanza tra i contatti maggiore (12-14 mm rispetto a 8-10 mm), molle di pressione dei contatti rinforzate e camere d'arco modificate. La sola sostituzione dei contatti non fornisce una protezione sufficiente: il meccanismo e l'interruttore devono essere progettati come un sistema per la corrente di spunto dei condensatori. Sostituire l'intero contattore con un'unità classificata AC-6b. Il tentativo di retrofit dei contattori AC-4 causa la saldatura dei contatti (distanza inadeguata) o danni al meccanismo (affaticamento delle molle dovuto a forze di spunto più elevate). Le prove sul campo hanno mostrato un tasso di guasto 100% dei contattori retrofit entro 1.000 operazioni rispetto a oltre 12.000 per le unità AC-6b adeguate.