Eliminazione del surriscaldamento dei quadri elettrici: controllo termografico, rilevamento di connessioni allentate, distorsioni armoniche e squilibrio di carico

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Il surriscaldamento dei quadri elettrici e dei quadri elettrici è un guasto critico che può portare a gravi conseguenze, tra cui incendi, danni alle apparecchiature, arresti non pianificati della produzione e minacce alla sicurezza del personale. Il presente manuale è destinato a specialisti tecnici, ingegneri dell'affidabilità e capi dei reparti di manutenzione delle imprese industriali ucraine per la diagnosi sistematica e l'eliminazione delle cause del surriscaldamento.

Sintomi considerati:

• Oscuramento o scolorimento visibile dell'isolamento e dei componenti.
• L'odore dell'isolamento bruciato o della plastica.
• Interventi frequenti degli interruttori automatici senza sovraccarico evidente.
• Guasto o funzionamento instabile delle apparecchiature collegate.
• Elevata temperatura del corpo del quadro elettrico rilevata al tatto (ATTENZIONE: pericoloso!).

Tipi di attrezzature considerate:

• Quadri principali (quadri principali).
• Armadi di controllo motore (MCC).
• Pannelli di distribuzione DC e AC.
• Armadi di controllo e automazione industriale.

Classificazione della gravità:

• Critico: La temperatura dei componenti supera +80°C o si formano scintille, si osserva fumo. L'arresto immediato delle apparecchiature e la risoluzione dei problemi sono obbligatori per evitare incendi e danni catastrofici.
• Significativo: Temperatura da +60°C a +80°C. Possibile invecchiamento precoce dell'isolamento, ridotta affidabilità, rischio di guasto dei componenti. È necessario programmare la risoluzione dei problemi alla successiva manutenzione programmata.
• Minore: temperatura da +40°C a +60°C. Indica un potenziale problema che potrebbe peggiorare nel tempo. Si consiglia di includerlo nel successivo ciclo di manutenzione preventiva.

2. Precauzioni di sicurezza

ATTENZIONE: Lavorare con quadri elettrici presenta un rischio maggiore di scosse elettriche, archi elettrici e ustioni termiche. Seguire sempre le normative locali, il DSTU e gli standard di sicurezza interni dell'azienda.

LOCKOUT/TAGOUT (LOTO): Prima di qualsiasi lavoro che comporti il ​​contatto fisico con componenti elettrici, è necessario togliere completamente la tensione e applicare le procedure LOTO secondo DSTU EN 50110-1 "Funzionamento degli impianti elettrici". Controllare l'assenza di tensione con l'indicatore di tensione!

DISPOSITIVI DI PROTEZIONE INDIVIDUALE (DPI): Uso obbligatorio di guanti dielettrici, occhiali protettivi, indumenti ignifughi (classe di protezione secondo la valutazione del rischio), scarpe protettive con suola dielettrica e casco protettivo con visiera.

RISCHIO DI ENERGIA RESIDUA: condensatori di grandi dimensioni possono immagazzinare tensioni pericolose dopo un'interruzione di corrente. Controllarne sempre lo scarico prima di toccarli.

LAVORI SOTTO TENSIONE: I lavori sotto tensione (ad esempio, ispezione termografica) devono essere eseguiti esclusivamente da personale qualificato che ha seguito una formazione specifica, con permesso scritto (ordine di autorizzazione) e nel rispetto di tutti i requisiti di sicurezza, in particolare l'uso di DPI con classe di protezione adeguata contro le scariche ad arco.

3. Strumenti diagnostici necessari

Una diagnostica efficace del surriscaldamento richiede l'uso di dispositivi di misurazione specializzati. Di seguito è riportato un elenco di strumenti consigliati:

4. Lista di controllo per la valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata, è necessario raccogliere quante più informazioni possibili sulle condizioni operative e sulla storia del malfunzionamento. Questa lista di controllo aiuterà a organizzare i dati primari:

5. Algoritmo diagnostico sistematico

Questo algoritmo è un albero decisionale che consente di identificare e localizzare in modo coerente la causa del surriscaldamento del quadro elettrico. Seguitelo passo dopo passo.

1. Sintomo: Surriscaldamento generale o locale del quadro elettrico.
2. Diagnostica primaria - Ispezione termografica:
   1. ATTENZIONE: Effettuare sotto tensione di lavoro (aprire la porta del quadro osservando tutte le norme di sicurezza e i DPI).
   2. Utilizzare una termocamera (ad esempio FLIR T540) con un intervallo compreso tra 0°C e 200°C, emissività impostata su 0,95 (per la maggior parte dei componenti).
   3. Scansiona tutti i componenti disponibili del quadro: interruttori automatici, contattori, connessioni terminali, trasformatori, cavi.
   4. Analisi dei risultati:
      • Se vengono rilevati punti caldi (>60°C): Vai al punto 3 (Posizione della fonte di calore).
      • Se la temperatura di tutti i componenti è normale (<40°C sopra la temperatura ambiente): Vai al punto 6 (Analisi della Power Quality), la causa del surriscaldamento potrebbe non essere puramente termica o potrebbe essere dovuta ad altre condizioni.
3. Individuazione della fonte di calore:
   1. Identificare i componenti più caldi. Prestare attenzione alla natura della distribuzione del calore.
   2. Analisi della natura del calore:
      • Se il calore è localizzato su una connessione (morsetto, contatto dell'interruttore, connessione bus): ciò indica una connessione allentata o una contaminazione dei contatti. Andare al punto 4 (Verificare eventuali connessioni allentate).
      • Se l'intero componente si surriscalda (es. corpo dell'interruttore, avvolgimenti del trasformatore, sezione del cavo): potrebbe trattarsi di un sovraccarico o di un guasto del componente interno. Andare al punto 5 (Misurazione dei carichi correnti).
4. Verifica eventuali connessioni allentate:
   1. ATTENZIONE: APPLICA LOTO prima di qualsiasi contatto fisico!
   2. Ispezionare visivamente la connessione sospetta: presenza di ossidazioni, scintille, deformazioni.
   3. Utilizzare una chiave dinamometrica (es. 2-30 Nm) per controllare la coppia di serraggio. Confrontare con i valori consigliati dal produttore (solitamente elencati sul componente o nella documentazione).
   4. Misurare la caduta di tensione attraverso la connessione del carico (se LOTO non è possibile, per sicurezza): un valore >10-20mV indica una maggiore resistenza.
   5. Se viene rilevata una connessione allentata/ossidata: andare alla Sezione 8 (Risoluzione dei problemi).
   6. Se la connessione è serrata correttamente, ma il riscaldamento persiste: Vai al passaggio 5 (Misurazione dei carichi di corrente), questo potrebbe essere un effetto secondario o un guasto interno nel contatto.
5. Misurazione dei carichi di corrente:
   1. Utilizzare una pinza amperometrica a vero valore efficace (ad esempio Fluke 376 FC) per misurare la corrente su tutte le fasi (L1, L2, L3) e, se possibile, sul conduttore neutro.
   2. Confrontare i valori misurati con le correnti nominali dei componenti (interruttori, cavi) e con i valori di progetto.
   3. Analisi dei risultati:
      • Se la corrente su una o più fasi supera quella nominale di oltre il 10%: Si tratta di un sovraccarico. Andare alla Sezione 8 (Risoluzione dei problemi) per eliminare il sovraccarico.
      • Se le correnti di fase differiscono in modo significativo (>10% di differenza tra le fasi): si tratta di uno squilibrio di carico. Vai al punto 7 (Analisi squilibrio di carico).
      • Se le correnti sono normali, ma il surriscaldamento è significativo: ciò potrebbe indicare una distorsione armonica o un guasto di un componente interno. Vai al punto 6 (Analisi della Power Quality).
6. Analisi della qualità della potenza (Distorsioni armoniche):
   1. ATTENZIONE: Le misurazioni vengono eseguite sotto tensione con adeguati DPI.
   2. Collegare un analizzatore della qualità dell'alimentazione (come un Fluke 435 II) ai terminali di ingresso del quadro elettrico.
   3. Misurare la distorsione armonica totale di corrente (THD-I) e tensione (THD-U) per ciascuna fase. Prestare attenzione alle ampiezze delle singole armoniche (3a, 5a, 7a, ecc.).
   4. Analisi dei risultati:
      • Se il THD-I supera il 5% (secondo DSTU EN 50160 e EN 61000-3-2/3-4) e si osserva un surriscaldamento: Questa è una causa significativa di surriscaldamento. Andare alla Sezione 8 (Risoluzione dei problemi).
      • Se il THD-I è normale ma il surriscaldamento è ancora presente: Considerare un danno interno a un componente (come un interruttore automatico) o una ventilazione insufficiente. Andare al punto 7 (Analisi squilibrio di carico) o eseguire ulteriori test di isolamento.
7. Analisi dello squilibrio del carico:
   1. Utilizzare una pinza amperometrica o un analizzatore della qualità dell'energia per misurare con precisione le correnti su ciascuna fase (L1, L2, L3).
   2. Calcola il coefficiente di squilibrio attuale: $\text{Imbalance}=\frac{\text{max}-\text{ser}}{\text{ser}}\times 100\text{\%}$ , dove max è la corrente di fase massima, ser è la corrente di fase media.
   3. Analisi dei risultati:
      • Se lo squilibrio di corrente supera il 10% (secondo DSTU EN 60034-1 per motori trifase) e si osserva un surriscaldamento: Questo è un motivo significativo. Andare alla Sezione 8 (Risoluzione dei problemi).
      • Se lo squilibrio è normale, ma non si riscontrano altre cause: Controllare attentamente la ventilazione, la possibilità di riscaldamento esterno o difetti interni nascosti dei componenti (ad esempio isolamento danneggiato degli avvolgimenti).

6. Matrice Malfunzionamento-Cause

Questa matrice sistematizza la relazione tra sintomi, cause probabili, metodi diagnostici e risultati attesi. La probabilità delle cause è classificata da 1 (la più alta) a 3 (la più bassa).

7. Analisi della causa principale di ogni malfunzionamento

7.1. Composti indeboliti o ossidati

Descrizione dettagliata: Le connessioni nei quadri elettrici, soprattutto quelle filettate (bulloni, terminali a vite), possono allentarsi o ossidarsi nel tempo. Le cause principali sono le vibrazioni derivanti dalle apparecchiature in funzione, i frequenti cicli di riscaldamento/raffreddamento, la corrosione (soprattutto in ambienti umidi o aggressivi) e l'insufficiente coppia di serraggio iniziale durante l'installazione. Una maggiore resistenza transitoria nella posizione del contatto indebolito porta ad un significativo rilascio di calore secondo la legge di Joule-Lenz ($P=I^{2}R$). Anche un leggero aumento della resistenza (pochi milliohm) a correnti elevate può causare un significativo surriscaldamento locale.

Come confermare:

• L'ispezione termografica rivelerà un punto caldo localizzato (la temperatura può superare i 100°C) sul giunto.
• Un'ispezione visiva può mostrare tracce di scolorimento del metallo, fusione dell'isolamento, tracce di scintille, fuliggine attorno al contatto.
• Misurare la caduta di tensione sotto carico: se la caduta di tensione sulla connessione supera i 50 mV, ciò indica un problema.
• Utilizzare una chiave dinamometrica per controllare la coppia di serraggio. Se è significativamente inferiore a quello raccomandato (ad esempio, IEC 60947-1 per apparecchiature a bassa tensione), ciò conferma l'attenuazione.
• Misurare la resistenza di connessione con un milliohmmetro: valori superiori a 10 mΩ sono sospetti.

Quali danni provoca se non viene rimosso: Un ulteriore deterioramento del contatto porta alla formazione di scintille, che rappresenta un rischio diretto di incendio ed esplosione. L'elevata temperatura distrugge l'isolamento di cavi e componenti, il che può causare cortocircuiti o guasti a terra, guasti totali alle apparecchiature e tempi di fermo prolungati.

7.2. Sovraccarico di corrente

Descrizione dettagliata: Un sovraccarico si verifica quando un componente elettrico (cavo, interruttore automatico, contattore) viene utilizzato con una corrente che supera la corrente continua nominale o consentita. Ciò può essere il risultato di: installazione di apparecchiature nuove e più potenti senza ammodernamento della rete di distribuzione; cambiamenti dei processi tecnologici che richiedono una maggiore produttività; malfunzionamenti delle apparecchiature collegate (ad esempio, blocco del motore elettrico, che porta ad un aumento del consumo di corrente); o addirittura errori di progettazione e di calcolo durante l'installazione del sistema.

Come verificare:

• Misurazioni con pinza amperometrica RMS reale su ciascuna fase. Confrontare i valori misurati con le correnti nominali indicate su interruttori automatici, cavi e altri componenti. Un eccesso del 10% o più indica un sovraccarico.
• Analisi dei registri dati (se disponibili) provenienti da sistemi di monitoraggio energetico.
• Un'ispezione termografica mostrerà un surriscaldamento uniforme dell'intero componente o sezione del cavo sovraccaricato.

Che danni provoca se non viene controllato: il surriscaldamento costante riduce notevolmente la durata dei componenti. L'isolamento del cavo invecchia e perde le sue proprietà dielettriche, aumentando il rischio di cortocircuiti. Gli interruttori automatici possono scattare frequentemente o, nel peggiore dei casi, guastarsi senza intervenire, lasciando il sistema non protetto. Il surriscaldamento porta anche a maggiori perdite di energia.

7.3. Distorsioni armoniche

Descrizione dettagliata: Le distorsioni armoniche nella rete elettrica sono correnti e tensioni le cui frequenze sono multipli della frequenza principale (50 Hz in Ucraina). Sono generati da carichi non lineari come inverter, convertitori di frequenza, alimentatori a commutazione, luci a LED, sistemi UPS, computer e altre apparecchiature elettroniche moderne. Le armoniche non svolgono un lavoro utile, ma aumentano la corrente totale nella rete (specialmente nel conduttore neutro dei sistemi trifase) e causano ulteriori perdite sotto forma di calore nei trasformatori, cavi e motori. Ciò porta al surriscaldamento, anche se la corrente efficace delle fasi non supera quella nominale.

Come confermare:

• Utilizzando un analizzatore di qualità dell'energia (ad esempio Sonel PQM-710) per misurare la corrente di distorsione armonica totale (THD-I) e la tensione (THD-U) secondo DSTU EN 50160 e EN 61000-3-2/3-4.
• Un valore THD-I >5% è considerato significativo e richiede attenzione, soprattutto se sono presenti armoniche di ordine basso (3a, 5a).
• Un'ispezione termografica mostrerà un aumento della temperatura dei trasformatori, dei cavi, in particolare del conduttore neutro, che non è proporzionale al carico attivo.

Quali danni provocano se non eliminati: Le armoniche accelerano l'invecchiamento dell'isolamento, causano ulteriori vibrazioni e rumore nei motori elettrici, possono causare false attivazioni dei dispositivi di protezione, malfunzionamenti di apparecchiature elettroniche sensibili. Il surriscaldamento dei trasformatori dovuto alle armoniche può portare al loro guasto e, nel conduttore neutro, al suo esaurimento e ad un notevole pericolo.

7.4. Squilibrio del carico

Descrizione dettagliata: Lo squilibrio di carico in un sistema trifase si verifica quando le correnti o le tensioni nelle diverse fasi sono significativamente diverse. Il motivo principale è la distribuzione non uniforme dei carichi monofase tra le tre fasi. Può anche essere causato da un malfunzionamento di una delle fasi, da una rottura o da un danneggiamento del cavo, oppure da un malfunzionamento interno dell'utenza trifase. Lo squilibrio di corrente provoca un riscaldamento non uniforme dei conduttori di fase, perdite aggiuntive nei motori e trasformatori trifase, riducendone l'efficienza e l'affidabilità.

Come verificare:

• Misurare correnti e tensioni su tutte e tre le fasi utilizzando una pinza amperometrica o un analizzatore della qualità dell'alimentazione.
• Calcolo del coefficiente di squilibrio di correnti e tensioni. Secondo DSTU EN 60034-1, lo squilibrio di tensione per i motori elettrici non deve superare l'1-2%. Uno squilibrio attuale >10% è critico.
• Un'ispezione termografica mostrerà che una o due fasi in un sistema multifase sono significativamente più calde delle altre.

Quali danni provoca, se non eliminati: Lo squilibrio del carico porta al surriscaldamento dei singoli conduttori di fase e degli avvolgimenti dei motori elettrici (anche alla corrente totale nominale), il che riduce notevolmente la loro durata, riduce l'efficienza e provoca ulteriori vibrazioni. Nei trasformatori lo squilibrio causa anche surriscaldamento e perdite aggiuntive.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Rimozione di composti indeboliti o ossidati

1. ATTENZIONE: UTILIZZARE LA PROCEDURA LOTO COMPLETA! Verificare l'assenza di tensione.
2. Smontare la connessione che si surriscalda.
3. Pulire accuratamente le superfici di contatto da ossidazioni, sporco e fuliggine utilizzando carta vetrata a grana fine o appositi prodotti per la pulizia dei contatti. Assicurarsi che le superfici siano lisce e pulite.
4. Controllare l'integrità del conduttore e il suo isolamento nel punto di connessione. Se necessario, pulire l'estremità del conduttore o sostituirlo.
5. Assemblare il giunto, assicurandosi che tutte le rondelle (piatte, elastiche) siano installate correttamente.
6. Stringere le connessioni filettate con una chiave dinamometrica alla coppia consigliata dal produttore (ad esempio, per terminali da 2,5 mm² - 0,8-1,2 Nm; per sbarre di potenza - 10-25 Nm, vedere le specifiche).
7. Controllare la resistenza della nuova connessione con un milliohmmetro. Il valore dovrebbe essere inferiore a 10 mΩ, idealmente inferiore a 1 mΩ.
8. Una volta ripristinata l'alimentazione (dopo aver rimosso LOTO), eseguire un'ispezione termografica ripetuta per verificare l'eliminazione del surriscaldamento.

8.2. Eliminazione del sovraccarico di corrente

1. ATTENZIONE: APPLICARE LA PROCEDURA LOTO COMPLETA prima di apportare qualsiasi modifica alla catena.
2. Identificare la fonte del sovraccarico: misurare le correnti di tutti i consumatori collegati.
3. Opzione A (riduzione del carico): se possibile, ridurre il carico di lavoro delle apparecchiature o ridistribuire i consumatori su altre linee meno caricate.
4. Opzione B (Miglioramento): Se la riduzione del carico non è possibile, il sistema deve essere aggiornato:
   • Sostituire gli interruttori automatici e gli altri dispositivi di protezione con una potenza corrispondente alla corrente di picco effettiva, dopo aver verificato che i cavi e le sbarre abbiano una sezione trasversale sufficiente.
   • Sostituire i cavi e le sbarre con altri di sezione maggiore se i conduttori attuali non soddisfano il nuovo calibro degli interruttori (secondo DSTU IEC 60364 "Installazioni elettriche degli edifici").
   • Installare linee di distribuzione aggiuntive per distribuire uniformemente il carico.
5. Controllare le nuove correnti dopo le modifiche ed eseguire un controllo termografico.

8.3. Eliminazione delle distorsioni armoniche

1. ATTENZIONE: lavorare con i filtri armonici può richiedere competenze e DPI speciali.
2. Identificare le principali fonti di armoniche nella rete (ad esempio convertitori di frequenza, UPS, alimentatori).
3. Installazione di filtri armonici:
   • Filtri passivi: correggono le armoniche di un certo ordine. Efficace per carichi stabili non lineari.
   • Filtri attivi: più flessibili, possono compensare armoniche di diverso ordine e adattarsi dinamicamente alle variazioni di carico.
4. L'uso di trasformatori con uno speciale fattore K, progettati per funzionare in condizioni di correnti armoniche elevate.
5. Utilizzo di apparecchiature con un basso livello di armoniche (ad esempio convertitori di frequenza con correttore del fattore di potenza attivo).
6. Dopo aver installato i filtri, rianalizzare la qualità dell'energia con l'analizzatore per confermare che il THD-I sia sceso a valori accettabili (es. <5%).

8.4. Eliminazione dello squilibrio di carico

1. ATTENZIONE: UTILIZZARE LA PROCEDURA LOTO COMPLETA per riconnettersi in sicurezza.
2. Determinare quali carichi monofase sono collegati a ciascuna fase.
3. Ridistribuire le utenze monofase tra le fasi L1, L2, L3 in modo che le correnti su ciascuna fase siano il più vicine possibile. Obiettivo per una differenza attuale non superiore al 5-10%.
4. Verificare la funzionalità dei consumatori trifase (ad esempio motori elettrici), se non vi sono cortocircuiti o rotture tra le spire che possono causare squilibrio.
5. Dopo aver ricollegato e ripristinato l'alimentazione, misurare nuovamente le correnti di fase con pinze amperometriche ed eseguire un'ispezione termografica per confermare l'eliminazione dello squilibrio e del surriscaldamento.

9. Precauzioni

Le misure preventive sono fondamentali per garantire un funzionamento affidabile e a lungo termine dei sistemi elettrici. L'implementazione di un monitoraggio regolare e di una manutenzione programmata può evitare la maggior parte dei problemi di surriscaldamento.

10. Parti di ricambio e componenti

La disponibilità dei pezzi di ricambio necessari è fondamentale per una risoluzione dei problemi rapida ed efficiente e per ridurre al minimo i tempi di fermo. Di seguito sono riportati i componenti tipici da avere in magazzino.

Tutti i pezzi di ricambio e i componenti necessari possono essere trovati nel catalogo elettronico UNITEC-D: www.unitecd.com/e-catalog/

11. Collegamenti

• DSTU EN 50110-1:2017. Esercizio degli impianti elettrici.
• DSTU EN 60947-1:2017. Apparecchiature di commutazione e apparecchiature di controllo a bassa tensione. Regole generali.
• DSTU EN 50160:2014. Caratteristiche della tensione di alimentazione nelle reti elettriche pubbliche.
• DSTU EN 61000-3-2:2017. Compatibilità elettromagnetica (EMC). Parte 3-2. norme Norme attuali sulle emissioni armoniche (per apparecchiature con una corrente di ingresso fino a 16 A).
• DSTU EN 61000-3-4:2017. Compatibilità elettromagnetica (EMC). Parte 3-4. norme Limitazione dell'emissione di armoniche di corrente per apparecchiature con corrente nominale superiore a 16 A per fase (per sistemi pubblici a bassa tensione).
• DSTU EN 60034-1:2014. Macchine rotative elettriche. Parte 1. Parametri nominali e caratteristiche operative.
• ISO 18436-7:2014. Monitoraggio delle condizioni e diagnostica delle macchine - Requisiti per la qualificazione e la valutazione del personale - Parte 7: Termografia.
• Manuali di funzionamento e manutenzione OEM appropriati per apparecchiature specifiche.
• Altri manuali di manutenzione UNITEC-D.