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Il coordinamento della protezione tra fusibili, relè e dispositivi di sovraccarico determina se un contattore sotto vuoto sopravvive alle condizioni di guasto o subisce saldature da contatto, danni da arco o guasti completi. Il principio di coordinamento è semplice: ogni dispositivo di protezione deve funzionare nella zona designata prima che i dispositivi a monte rispondano, isolando i guasti nel punto di protezione più vicino e preservando il servizio ai circuiti non interessati.
Nelle implementazioni sul campo in oltre 200 centri di controllo motori industriali, abbiamo documentato che un coordinamento improprio causa circa 30% di arresti di produzione non pianificati, anche quando i singoli dispositivi soddisfano le loro specifiche nominali. Questa guida fornisce una metodologia pratica di coordinamento per gli ingegneri che progettano e mettono in funzione schemi di protezione dei contattori sotto vuoto.
I contattori sotto vuoto eccellono nella commutazione ripetuta di carichi in condizioni operative normali. Un'unità ben progettata gestisce da 100.000 a 1.000.000 di operazioni meccaniche a seconda della categoria di carico. Tuttavia, questa capacità di commutazione ha dei limiti.
Il potere di rottura di un tipico apparecchio a media tensione contattore a vuoto progettato per operazioni di commutazione frequenti è compresa tra 8 e 10 volte la corrente nominale per il servizio AC-3 (motore in funzione) o AC-4 (motore in avviamento/spegnimento). Per un contattore da 400 A, ciò si traduce in circa 3.200-4.000 A di corrente di interruzione massima.
Confrontate questa cifra con la corrente di guasto potenziale su un bus industriale MT. I valori di 20-40 kA sono comuni. In alcune installazioni si registrano valori di 50 kA o superiori.
Il disallineamento è grave. Quando la corrente di guasto supera il potere di interruzione del contattore:
La norma IEC 60947-4-1 definisce le categorie di utilizzo proprio perché i contattori non sono dispositivi di interruzione dei guasti. Lo standard distingue tra capacità di produzione (chiusura su un guasto) e capacità di interruzione (apertura sotto un guasto). Entrambe le capacità rimangono molto al di sotto dei livelli di guasto del sistema nella maggior parte delle applicazioni MT.
Questa lacuna crea un requisito assoluto: i dispositivi di protezione di riserva devono interrompere i guasti prima che il contattore tenti un'interruzione superiore alla sua portata.
I fusibili a limitazione di corrente sono la prima linea di difesa contro le correnti di guasto che superano il potere di interruzione del contattore sotto vuoto. Per una corretta selezione dei fusibili è necessario che le caratteristiche di passaggio I²t del fusibile corrispondano alla capacità di resistenza termica del contattore.
Per la protezione dei contattori a vuoto si applicano tre categorie di fusibili:
Fusibili di tipo gG/gL forniscono una protezione completa che copre sia le condizioni di sovraccarico che di cortocircuito. Questi fusibili generici sono adatti alle applicazioni in cui sono accettabili tempi moderati di eliminazione dei guasti.
Fusibili di tipo aM sono dispositivi per motori progettati per resistere alle correnti di spunto all'avviamento e fornire una protezione contro i cortocircuiti. Non proteggono dai sovraccarichi: questa funzione è affidata a un relè di sovraccarico separato.
Fusibili di tipo aR offrono un'azione rapida di tipo semiconduttore, eliminando i guasti entro 5 ms con correnti prospettiche superiori a 20 kA. Gli impianti minerari e petrolchimici prediligono questa combinazione per gli alimentatori dei motori, dove i contributi di corrente di guasto creano livelli prospettici severi.
Il margine di coordinamento tra fusibile e contattore segue la relazione:
Fusibile I²tpassaggio ≤ Contattore I²tresistere
Per un tipico Applicazione del contattore ad alta tensione con una corrente di esercizio di 400 A, la massima I²t ammissibile del fusibile durante l'eliminazione del guasto non deve superare il valore di resistenza del contattore, tipicamente 40.000-50.000 A²s per le unità industriali standard.
Tabella: Esempio di coordinamento fusibili-contattori
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Corrente nominale del contattore | 400 A |
| Tensione del sistema | 7,2 kV |
| Corrente di guasto prospettica | 25 kA |
| Resistenza I²t del contattore | 50.000 A²s |
| Valore nominale del fusibile selezionato | 250 A HRC |
| Fusibile I²t @ 25 kA | 35.000 A²s |
| Stato del coordinamento | ✓ Protetto |
I test sul campo nelle operazioni minerarie hanno dimostrato che i valori nominali dei fusibili non dovrebbero superare i 125% del valore termico del contattore sotto vuoto. Quando il tempo di disattivazione del fusibile alla massima corrente di guasto scende al di sotto dei 10 ms, il contattore sperimenta un'energia d'arco minima durante l'evento di guasto, prolungando la vita utile del contatto di 40-60% rispetto ai sistemi mal coordinati.
[Expert Insight: Selezione dei fusibili nella pratica].
- Selezionare fusibili con valori I²t almeno 20% inferiori ai valori nominali di resistenza del contattore per tenere conto delle tolleranze di produzione.
- Verificare le prestazioni del fusibile alla temperatura ambiente effettiva: il valore ² aumenta di 5-8% a 40°C rispetto alle condizioni nominali di 25°C.
- Sostituire i fusibili dello stesso lotto del produttore per mantenere costanti le caratteristiche di coordinamento.
- Documentare i numeri di modello e di lotto dei fusibili nei registri dello studio di coordinamento per riferimenti futuri.
I relè di protezione forniscono caratteristiche di tempo-corrente regolabili che si coordinano con i fusibili a monte e i sovraccarichi termici a valle. A differenza dei fusibili, i relè possono essere ripristinati e le loro impostazioni regolate per adattarsi alle mutevoli condizioni del sistema.
Relè a tempo minimo definito inverso (IDMT) seguono le curve standard IEC - Standard Inverse (SI), Very Inverse (VI), Extremely Inverse (EI) e Long-Time Inverse (LTI). Il tempo di funzionamento del relè diminuisce all'aumentare della corrente di guasto, seguendo una relazione matematica definita.
Relè a tempo definito forniscono ritardi fissi indipendentemente dall'entità della corrente al di sopra del pickup. Sono adatti alle applicazioni che richiedono tempi di eliminazione prevedibili indipendentemente dalla gravità del guasto.
Relè istantanei funzionano senza ritardi intenzionali per i guasti di elevata entità. Le impostazioni del pick-up variano in genere da 6 a 12 volte la corrente a pieno carico per evitare l'intervento in caso di spunto all'avvio del motore.
Il tempo totale di eliminazione del guasto comprende più componenti:
Il relè deve intervenire prima della soglia di danno termico del contattore a tutti i livelli di corrente di guasto. In base a Requisiti di coordinamento IEC 60947-4-1, Il coordinamento di tipo 2 richiede che il contattore rimanga operativo dopo l'eliminazione del guasto senza saldature di contatto o danni permanenti.
Flusso di lavoro di coordinamento:
Un malinteso comune: i relè di protezione da sovraccarico proteggono la carico (avvolgimenti del motore, dielettrico del condensatore), non il contattore sotto vuoto stesso. Il contattore deve comunque essere protetto da fusibili o interruttori a monte contro le correnti di guasto che superano il suo potere di interruzione.
Relè termici di sovraccarico utilizzano elementi bimetallici che si deflettono in presenza di un flusso di corrente sostenuto. Le classi di intervento definiscono il tempo di risposta:
Relè elettronici di sovraccarico forniscono curve di intervento programmabili, rilevamento delle perdite di fase, monitoraggio dei guasti a terra e funzioni di memoria termica. Le funzionalità di comunicazione digitale consentono il monitoraggio e la regolazione a distanza.
Lo stack di protezione completo funziona come segue:
Nei centri di controllo motore chiusi che operano a 40°C, le impostazioni di sovraccarico richiedono una riduzione di 10-15% rispetto ai valori di targa. L'affidabilità del contattore sotto vuoto dipende direttamente da un'adeguata protezione contro i sovraccarichi, che impedisce condizioni di sovracorrente prolungate che accelerano l'erosione dei contatti.
[Approfondimento per esperti: messa in funzione dei relè di protezione motore].
- Verificare la polarità e il rapporto del TA prima di attivare i relè elettronici di sovraccarico.
- Testare la protezione contro la perdita di fase scollegando una fase a tensione ridotta durante la messa in servizio.
- Impostare il rilevamento dei guasti a terra a 50-100 mA per la sicurezza del personale in ambienti umidi.
- Documentate la temperatura ambiente al momento della messa in funzione: i relè termici devono essere ricalibrati se la temperatura di esercizio differisce di oltre 10°C.
Applicazioni diverse impongono sfide di coordinamento diverse. Lo spunto all'avviamento del motore, i transitori di eccitazione del condensatore e la corrente di magnetizzazione del trasformatore richiedono strategie di protezione specifiche.
L'avviamento del motore produce correnti di spunto pari a 6-8× ampere a pieno carico per 5-15 secondi durante l'accelerazione diretta in linea. Le condizioni di blocco del rotore mantengono questo livello di corrente fino all'intervento della protezione.
La sfida del coordinamento: la protezione deve superare il normale spunto di avviamento e intervenire in caso di rotore bloccato o di stallo. I fusibili di tipo aM combinati con i sovraccarichi termici di Classe 20 forniscono questa discriminazione per la maggior parte delle applicazioni di motori industriali.
Commutazione di condensatori con contattori sotto vuoto crea gravi condizioni transitorie. La corrente di spunto può superare 100 volte la corrente nominale per durate inferiori a 1 ms. La commutazione back-to-back, ovvero l'attivazione di un banco di condensatori mentre gli altri rimangono collegati, produce picchi ancora più elevati.
Il riavvio durante la diseccitazione presenta ulteriori pericoli. Se il contattore sotto vuoto si riavvia dopo l'estinzione iniziale dell'arco, il transitorio di tensione risultante può danneggiare il dielettrico del condensatore e le apparecchiature collegate.
Approccio di coordinamento: le reattanze di limitazione della corrente riducono l'ampiezza del picco di spunto; i fusibili di limitazione della corrente ad azione rapida eliminano i guasti prima del danneggiamento dei contattori; i controllori di commutazione punto-on-onda riducono al minimo la gravità dei transitori.
La corrente di spunto magnetizzante del trasformatore raggiunge 8-12× la corrente nominale con caratteristiche di forma d'onda asimmetrica. Il contenuto di seconde armoniche della corrente di spunto la distingue dalla corrente di guasto e i relè di protezione con contenimento delle armoniche impediscono falsi interventi durante l'eccitazione.
Tabella: Riepilogo del coordinamento delle applicazioni
| Applicazione | Dispositivo di sovraccarico | Dispositivo di cortocircuito | Sfida chiave |
|---|---|---|---|
| Avviamento del motore | Classe 20 termica | fusibile aM | Corsa in salita |
| Banco di condensatori | In genere nessuno | Fusibile a limitazione di corrente | Picco transitorio, restrizione |
| Alimentatore del trasformatore | Relè IDMT | fusibile gG/gL | Spunto magnetizzante |
I problemi di coordinamento del mondo reale derivano da errori di progettazione, impostazioni improprie o modifiche del sistema che invalidano gli studi di coordinamento originali.
Fusibili sovradimensionati: A volte gli ingegneri scelgono fusibili con “margini di sicurezza” eccessivi. Un fusibile da 400 A che protegge un contattore da 200 A potrebbe non eliminare i guasti abbastanza rapidamente da impedire la saldatura dei contatti. Il fusibile deve essere dimensionato in base all'effettiva capacità di resistenza del contattore, non deve essere sovradimensionato arbitrariamente.
Disadattamento della temporizzazione del relè: Quando il tempo di funzionamento del relè supera la resistenza termica del contattore con correnti di guasto elevate, il contattore subisce un danno prima che il relè scatti. Questa modalità di guasto diventa evidente solo durante gli eventi di guasto reali.
L'elemento istantaneo interviene in caso di spunto: L'avviamento del motore o l'eccitazione del condensatore producono brevi picchi di corrente che superano le impostazioni del pick-up istantaneo del relè. Gli interventi di disturbo interrompono la produzione senza che vi sia una reale condizione di guasto.
Ciclo di sovraccarico a ripristino automatico: I sovraccarichi a ripristino automatico consentono di riavviare ripetutamente i motori surriscaldati. Il contattore funziona normalmente mentre gli avvolgimenti del motore accumulano danni termici a ogni riavvio.
Nessuno studio di discriminazione: Quando più dispositivi si attivano contemporaneamente durante un guasto, la localizzazione del punto di guasto effettivo diventa difficile. I tempi di recupero della produzione aumentano drasticamente.
Esempio di caso sul campo:
Un contattore sotto vuoto da 7,2 kV in un banco di condensatori di un cementificio ha subito una riattivazione durante l'apertura. Il fusibile di backup è stato dimensionato correttamente per l'eliminazione del guasto avvitato, ma non per la tensione transitoria di recupero dopo la riapertura. Risultato: contattore distrutto, fusibile intatto, esattamente il contrario del coordinamento previsto. L'analisi successiva all'incidente ha rivelato che il serie alternativa di contattori ad alta tensione con una maggiore soppressione dei colpi sarebbe sopravvissuto allo stesso evento.
Un coordinamento accurato richiede specifiche precise dei dispositivi. XBRELE fornisce schede tecniche complete per tutte le serie di contattori sotto vuoto, tra cui:
Per le applicazioni critiche in impianti minerari, petrolchimici o di trattamento delle acque, il supporto ingegneristico di XBRELE assiste nella verifica del coordinamento, nella selezione dei dispositivi di protezione e nella guida alla messa in servizio.
Contattare il Team di produzione dei contattori sottovuoto XBRELE per le schede tecniche di coordinamento, le curve caratteristiche della corrente di tempo o il supporto tecnico specifico per l'applicazione.
D: Cosa succede se si sceglie un fusibile con un valore superiore alla resistenza termica del contattore sotto vuoto?
R: Il fusibile potrebbe non eliminare i guasti abbastanza rapidamente da impedire la saldatura dei contatti: il contattore subisce un danno mentre il fusibile sovradimensionato rimane intatto, richiedendo la sostituzione del contattore e l'indagine della causa principale.
D: Come si verifica il coordinamento tra relè e contattore durante la messa in servizio?
R: Iniettare corrente secondaria nel relè utilizzando un set di prova, misurare i tempi di intervento effettivi a diversi livelli di corrente (in genere 3×, 5× e 10× pickup) e confrontare i risultati con la curva di danno termico pubblicata dal contattore.
D: I relè termici possono proteggere i contattori sotto vuoto dai cortocircuiti?
R: I sovraccarichi non termici funzionano troppo lentamente per la protezione dai guasti, con tempi di intervento misurati in secondi anziché in millisecondi. I fusibili o gli interruttori automatici devono fornire una protezione di riserva contro i cortocircuiti.
D: Quale margine di coordinamento devo mantenere tra i dispositivi di protezione?
R: La maggior parte delle applicazioni industriali richiede una separazione minima di 0,3 secondi tra le curve tempo-corrente alla massima corrente di guasto per garantire un funzionamento selettivo in condizioni transitorie e tenere conto delle tolleranze di temporizzazione dei relè.
D: Perché le applicazioni dei banchi di condensatori richiedono considerazioni particolari sul coordinamento?
R: L'eccitazione dei condensatori produce correnti transitorie superiori a 100 volte la corrente nominale per durate inferiori al millisecondo e il riavvio durante la diseccitazione crea transitori di tensione che gli schemi di protezione standard non sono in grado di gestire senza reattori di limitazione della corrente e fusibili ad azione rapida.
D: Con quale frequenza devono essere rivisti gli studi di coordinamento della protezione?
R: Gli studi di coordinamento devono essere rivisti ogni volta che si verificano modifiche al sistema - aggiunta di nuovi carichi, aggiornamento dei trasformatori, ricalcolo dei livelli di guasto o sostituzione dei dispositivi di protezione - con verifiche periodiche ogni 3-5 anni anche in assenza di modifiche al sistema.
D: Quale documentazione devo conservare per il coordinamento della protezione?
R: Conservare i diagrammi di coordinamento tempo-corrente che mostrano tutte le curve dei dispositivi, i fogli di impostazione dei relè con i valori del pick-up e del quadrante temporale, i fogli delle specifiche dei fusibili con i dati I²t e le registrazioni della temperatura ambiente e dei livelli di guasto del sistema alla messa in servizio.
