Eliminazione del surriscaldamento degli armadi elettrici: ispezione termografica, rilevamento di cattivi contatti, distorsione armonica e bilanciamento del carico

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Questo manuale è destinato alla diagnosi e alla risoluzione dei problemi associati al surriscaldamento di armadi elettrici, quadri elettrici, pannelli di avviamento motore e altre apparecchiature elettriche industriali. Il surriscaldamento dei componenti elettrici è un sintomo critico che può portare a: guasti prematuri delle apparecchiature, degrado dell'isolamento, riduzione dell'efficienza del sistema, tempi di fermo della produzione non pianificati e significativi rischi di incendio e per la sicurezza del personale. Questa guida copre la diagnosi delle cause più comuni di surriscaldamento, come collegamenti elettrici scadenti, circuiti sovraccarichi, distorsione armonica e carichi sbilanciati.

Classificazione della gravità del malfunzionamento:

• Critico: la temperatura dei componenti supera la temperatura operativa massima consentita specificata dal produttore (ad esempio superiore a 90°C per i conduttori in rame nell'aria). È obbligatorio l'arresto immediato dell'apparecchiatura.
• Grave: La temperatura dei componenti è di 15-30°C superiore alla temperatura di componenti simili sotto carico identico o supera i 70°C. Richiede la pianificazione immediata delle azioni correttive.
• Minore: La temperatura dei componenti è 5-15°C superiore alla temperatura di componenti simili o supera i 50°C. Richiede il monitoraggio e la pianificazione della manutenzione preventiva.

2. Misure di sicurezza

ATTENZIONE: lavorare con armadi elettrici comporta un rischio elevato di scosse elettriche, archi elettrici e altre lesioni gravi o mortali. Prima di iniziare qualsiasi lavoro diagnostico o di riparazione, seguire rigorosamente tutte le procedure di sicurezza stabilite.

• Lockout/Tagout (LOTO): Applicare sempre le procedure LOTO in conformità con le regole interne dell'azienda e i requisiti di DSTU EN 50110-1:2017 (Funzionamento di impianti elettrici), DSTU EN 61439-1:2018 (Dispositivi completi di distribuzione a bassa tensione). Assicurarsi che tutte le fonti di alimentazione siano scollegate, bloccate e testate per la tensione prima di toccare l'apparecchiatura.
• Dispositivi di protezione individuale (DPI): utilizzare DPI adeguati per proteggersi da archi elettrici e corrente elettrica. Ciò include: indumenti non infiammabili, occhiali di sicurezza, visiera, guanti dielettrici (classe adeguata alla tensione), scarpe di sicurezza. Il livello dei DPI deve corrispondere alla categoria di pericolo di arco elettrico definita per questo quadro elettrico.
• Controllare l'assenza di tensione: dopo aver applicato LOTO e prima di iniziare il lavoro, verificare sempre l'assenza di tensione con un dispositivo di misurazione funzionante e testato su tutte le fasi e tra fasi e terra.
• Scarica di energia immagazzinata: i condensatori possono immagazzinare livelli pericolosi di energia anche dopo che l'alimentazione è stata spenta. Assicurarsi che i condensatori siano completamente scarichi prima di toccarli.
• Lavori sotto tensione: Se la diagnostica richiede lavori sotto tensione (ad esempio, ispezione termografica o misurazione della corrente con pinze), questo deve essere eseguito solo da personale qualificato, osservando tutti i DPI necessari e le distanze di sicurezza stabilite dalle normative.

3. Strumenti diagnostici necessari

4. Lista di controllo della valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata, è importante raccogliere quante più informazioni possibili sulle condizioni operative e sulla storia dell'armadio elettrico.

5. Algoritmo diagnostico sistematico

1. Rilevamento iniziale del surriscaldamento (ispezione termografica)
   1. Eseguire un'ispezione termografica di tutti gli armadi elettrici e dei relativi componenti sotto carico di lavoro.
   2. Utilizzare una termocamera impostata sull'emissività appropriata dei materiali (ad esempio 0,95 per vernice opaca, 0,20 per metallo lucido).
   3. Registra le temperature dei punti più caldi.
   4. Se vengono rilevati punti caldi (>50°C): Vai al punto 2.
   5. Se i punti caldi sono assenti o minori: Il surriscaldamento potrebbe essere causato da un aumento generale della temperatura ambiente o da una ventilazione insufficiente dell'armadio. Vai al punto 6.
2. Individuazione del punto caldo e sua identificazione
   1. Determina quale componente si sta surriscaldando (contatto, conduttore, interruttore automatico, contattore, trasformatore, filtro armonico, ecc.).
   2. Se si tratta di un contatto o di una connessione: Vai al punto 3.
   3. Se si tratta di un interruttore automatico o di un dispositivo di protezione: Vai al punto 4.
   4. Se si tratta di un trasformatore, reattore o condensatore: Vai al punto 5.
   5. Se si tratta di un conduttore per tutta la sua lunghezza: Vai al punto 4.
3. Diagnosi di pin/connessioni difettose (dopo lo spegnimento)
   1. Blocco/Tag (LOTO): Spegnere l'alimentazione secondo le procedure LOTO.
   2. Ispezionare visivamente la connessione sospetta: segni di corrosione, indebolimento, bruciatura.
   3. Utilizzare un multimetro o un microohmmetro per misurare la resistenza della connessione.
      1. Risultato previsto: La resistenza deve essere inferiore a 100 µOhm (0,0001 Ohm) per i collegamenti di alimentazione.
      2. Se la resistenza è alta: Questo è un cattivo contatto. Andare alla Sezione 8 (Risoluzione dei problemi: Contatti errati).
   4. Controllare la coppia dei terminali con una chiave dinamometrica secondo le raccomandazioni del produttore.
4. Diagnosi di sovraccarico e carico sbilanciato (sottotensione)
   1. Utilizzo di DPI: Fornisce una protezione completa contro archi elettrici e scosse elettriche.
   2. Utilizzando una pinza amperometrica, misurare la corrente di carico su ciascuna fase (L1, L2, L3) del componente surriscaldato.
   3. Confrontare le correnti misurate con i valori nominali del componente e le correnti ammissibili per la sezione del conduttore (secondo PUE, DSTU IEC 60364).
   4. Se la corrente supera quella nominale (>100% della nominale) o quella consentita: Si tratta di un sovraccarico. Vai al capitolo 8 (Risoluzione dei problemi: Sovraccarico).
   5. Se le correnti di fase sono notevolmente diverse (>10% di squilibrio tra le fasi): Si tratta di un carico sbilanciato. Andare al capitolo 8 (Risoluzione dei problemi: carico sbilanciato).
5. Diagnosi delle distorsioni armoniche (sottotensione)
   1. Utilizzo dei DPI: Fornisce una protezione completa contro archi elettrici e scosse elettriche.
   2. Utilizzando un analizzatore della qualità dell'alimentazione, misurare la corrente di distorsione armonica totale (THD_I) e la tensione (THD_U) all'ingresso dell'armadio e alle prese dei componenti sospetti.
   3. Risultato previsto: Secondo EN 50160 e DSTU EN 50160:2014, THD_U non dovrebbe normalmente superare l'8% per i sistemi fino a 1 kV. I livelli accettabili di THD_I dipendono dal tipo di apparecchiatura, ma spesso >15-20% può causare problemi.
   4. Se il livello delle armoniche è alto (THD_I > 15-20%): Questa è una distorsione armonica. Vai al capitolo 8 (Risoluzione dei problemi: Distorsione armonica).
6. Diagnostica problemi di ventilazione/raffreddamento
   1. Controlla il funzionamento delle ventole: girano, i filtri non sono intasati.
   2. Misurare la temperatura all'interno dell'armadio e la temperatura ambiente.
   3. Se la ventilazione è insufficiente o bloccata: Questa è la causa del surriscaldamento. Andare alla Sezione 8 (Risoluzione dei problemi: Ventilazione).

6. Matrice delle cause del malfunzionamento

7. Analisi delle cause profonde di ciascun malfunzionamento

7.1. Contatti difettosi (indeboliti/corrosi).

Spiegazione: la resistenza transitoria nel punto di connessione elettrica (terminali, morsetti, punti di crimpatura) dovrebbe solitamente essere nell'intervallo dei microohm. L'allentamento del serraggio, le vibrazioni, i cicli termici, l'ossidazione o la corrosione aumentano questa resistenza. Secondo la legge di Joule-Lenz (P = I²R), anche un leggero aumento della resistenza (R) quando scorre una grande corrente (I) porta ad un significativo rilascio di calore (P = perdita di potenza). Questo calore provoca un surriscaldamento locale.

Conferma: una termocamera mostrerà un punto caldo localizzato e un microohmmetro confermerà una connessione ad alta resistenza dopo lo spegnimento. Un'ispezione visiva può rivelare tracce di bruciatura, scolorimento dell'isolamento o del metallo.

Conseguenze se non eliminate: Ulteriore aumento della resistenza e della temperatura, distruzione dell'isolamento del conduttore, deformazione delle parti in plastica, fusione del metallo, cortocircuito, arco elettrico, spegnimento completo dell'apparecchiatura, incendio.

7.2. Sovraccarico del circuito/apparecchiatura

Spiegazione: Un sovraccarico si verifica quando la corrente che scorre attraverso un conduttore o un componente elettrico supera il valore nominale o consentito calcolato dal produttore o dagli standard (PUE, DSTU IEC 60364) per un funzionamento sicuro a lungo termine. Ciò porta ad un eccessivo sviluppo di calore lungo l'intera lunghezza del conduttore o all'interno del dispositivo.

Conferma: la pinza amperometrica mostrerà una corrente che supera il valore nominale. Una telecamera termografica mostrerà il surriscaldamento di un componente o conduttore su tutta la sua lunghezza, non solo nel punto di connessione.

Conseguenze, se non eliminate: Invecchiamento accelerato dell'isolamento, riduzione della durata delle apparecchiature, interventi frequenti dei dispositivi di protezione (interruttori automatici), incendio. Correnti vicine al valore nominale dell'interruttore possono causare il surriscaldamento dell'interruttore anche se non scatta.

7.3. Distorsioni armoniche

Spiegazione: Le armoniche sono tensioni e correnti sinusoidali, la cui frequenza è un multiplo della frequenza principale della rete (50 Hz). Sono creati da carichi non lineari come convertitori di frequenza, raddrizzatori, alimentatori a commutazione, computer, illuminazione a LED. Le correnti armoniche fluiscono attraverso la rete, causando ulteriori perdite e surriscaldamento: trasformatori (aumento delle correnti parassite), condensatori (risonanza), conduttori (in particolare il conduttore neutro, dove possono accumularsi armoniche del terzo ordine), motori (riscaldamento aggiuntivo, vibrazioni).

Conferma: l'analizzatore della qualità dell'alimentazione rileverà valori elevati di corrente (THD_I) e/o tensione (THD_U). Secondo DSTU EN 50160:2014, THD_U non deve superare l'8%.

Conseguenze, se non eliminate: Surriscaldamento e danni a trasformatori, reattori, condensatori, motori. Malfunzionamenti dell'elettronica sensibile, malfunzionamenti dei dispositivi di protezione, aumento delle perdite di rete.

7.4. Carico sbilanciato

Spiegazione: Nei sistemi trifase, si verifica un carico sbilanciato quando le correnti nelle tre fasi differiscono in modo significativo. Ciò porta alla comparsa di corrente nel conduttore neutro (anche se il carico è lineare, ma asimmetrico) e ad un carico irregolare dei conduttori di fase. La fase con corrente maggiore si surriscalderà più delle altre. Inoltre, l'asimmetria delle correnti provoca un ulteriore riscaldamento dei motori trifase.

Conferma: le pinze di misura elettriche mostreranno una differenza significativa nelle correnti tra le fasi (>10% del valore di corrente medio). Ad esempio, se I_L1 = 100 A, I_L2 = 90 A, I_L3 = 80 A, lo squilibrio sarà significativo.

Conseguenze, se non eliminate: Surriscaldamento dei singoli conduttori di fase e dei dispositivi ad essi collegati. Riduzione dell'efficienza e della durata dei motori trifase, loro surriscaldamento. Aumentano le perdite nel sistema.

7.5. Ventilazione/raffreddamento dell'armadio insufficiente

Spiegazione: gli armadi elettrici sono progettati tenendo conto della rimozione di un determinato volume di calore rilasciato dai componenti interni. Se le prese d'aria sono ostruite, i filtri sono intasati di polvere, le ventole non funzionano o il loro rendimento è insufficiente, all'interno del mobile si accumula calore provocando un generale aumento della temperatura di tutti i componenti.

Conferma: un'ispezione visiva mostrerà filtri intasati e ventole non funzionanti. Il termografo registrerà l'aumento complessivo della temperatura all'interno dell'armadio senza evidenti punti caldi localizzati sui singoli componenti. La misurazione della temperatura all'interno dell'armadio può mostrare un eccesso di ΔT (la differenza di temperatura tra interno ed esterno) rispetto alla progettazione.

Conseguenze, se non eliminate: Invecchiamento accelerato generale di tutti i componenti, affidabilità ridotta, guasti più frequenti, attivazione della protezione termica.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Risoluzione dei problemi: contatti difettosi

1. SICUREZZA: Eseguire una procedura di blocco/etichettatura completa (LOTO) per l'armadio elettrico interessato. NON VERIFICARE TENSIONE!
2. Aprire i coperchi protettivi e ispezionare visivamente i collegamenti. Prestare attenzione al cambiamento di colore dell'isolamento, alla combustione, allo scioglimento della plastica, all'allentamento dei bulloni.
3. Allentare le viti o i bulloni di bloccaggio della connessione sospetta.
4. Pulire accuratamente le superfici di contatto da ossidazioni, sporco e corrosione con l'aiuto di carta vetrata fine o mezzi speciali per la pulizia dei contatti.
5. Assicurarsi che le estremità dei conduttori siano opportunamente crimpate e corrispondano alla sezione trasversale del conduttore. Se necessario, crimpare la punta.
6. Ricollegare il conduttore serrando le viti o i bulloni con una chiave dinamometrica alla coppia consigliata dal produttore del componente (ad esempio per una morsettiera da 2,5 mm² potrebbe essere 0,8-1,2 Nm, per le sbarre di potenza molto di più secondo EN 60947).
7. Dopo il serraggio, eseguire una misurazione di controllo della resistenza di connessione con un microohmmetro. Valore atteso <100 µOhm.
8. Ripristinare l'alimentazione ed eseguire un controllo termografico della connessione sotto carico per confermare che il surriscaldamento è stato risolto.

8.2. Risoluzione dei problemi: sovraccarico del circuito/apparecchiatura

1. Misurare le correnti di carico con una pinza amperometrica su tutti i rubinetti dell'interruttore o del componente surriscaldato. Segui i DPI!
2. Confrontare le correnti effettive con i dati nominali degli apparecchi e le correnti ammissibili per la sezione dei cavi secondo il PUE.
3. Se viene rilevato un eccesso significativo:
   1. Dividere il carico in più circuiti separati aggiungendo nuovi interruttori automatici e conduttori della sezione trasversale appropriata.
   2. Sostituire i conduttori e/o gli interruttori automatici con dispositivi con una corrente nominale più elevata se consentito dalla documentazione di progettazione e anche i circuiti a valle possono gestire l'aumento di corrente.
   3. Determinare se sono presenti connessioni temporanee o non autorizzate che causano congestione.
   4. Controllare la modalità di funzionamento dell'apparecchiatura: potrebbe funzionare in una modalità per la quale non è progettata (ad esempio, un motore con l'albero bloccato).
4. Eseguire un controllo termografico dopo aver apportato le modifiche per confermare che il surriscaldamento è stato risolto.

8.3. Risoluzione dei problemi: distorsione armonica

1. Esegui un'analisi dettagliata della qualità dell'energia con l'analizzatore misurando THD_I e THD_U in vari punti della rete a partire dall'ingresso dell'armadio. Segui i DPI!
2. Identificare le fonti di armoniche (ad esempio grandi convertitori di frequenza, regolatori a tiristori, forni a induzione).
3. Per ridurre le armoniche:
   1. Installa filtri armonici passivi (come le induttanze) all'ingresso delle apparecchiature che generano armoniche.
   2. Utilizzare filtri armonici attivi che compensino le correnti armoniche.
   3. Passare ad apparecchiature con contenuto armonico inferiore (come convertitori di frequenza con raddrizzatori multiimpulso).
   4. Aumentare la potenza del trasformatore o aggiungere un trasformatore di isolamento, che aiuterà a mitigare l'effetto delle armoniche sulla rete generale.
4. Dopo aver installato filtri o altre misure, misurare nuovamente i livelli armonici e le temperature dei componenti per confermarne l'efficacia. Il THD_U deve essere inferiore all'8% (secondo DSTU EN 50160).

8.4. Risoluzione dei problemi: carico sbilanciato

1. Misurare le correnti di carico su ciascuna fase (L1, L2, L3) utilizzando la pinza amperometrica. Segui i DPI!
2. Calcola il coefficiente di asimmetria delle correnti (squilibrio di fase) - la deviazione della corrente di una fase separata dal valore medio. Se lo squilibrio supera il 10%, necessita di correzione.
3. Per eliminare il carico sbilanciato:
   1. Ridistribuire i carichi monofase tra le fasi per ottenere la massima simmetria possibile delle correnti.
   2. Controllare lo stato dei motori trifase: un carico sbilanciato può essere causato da un difetto interno del motore (ad esempio un avvolgimento aperto).
   3. Se lo squilibrio è causato dalle specificità del processo tecnologico (ad esempio, funzionamento asimmetrico delle saldatrici), prendere in considerazione l'installazione di dispositivi di bilanciamento.
4. Rimisurare le correnti dopo aver ridistribuito il carico ed eseguire il controllo termografico.

8.5. Risoluzione dei problemi: Ventilazione/raffreddamento insufficiente

1. Eseguire un'ispezione visiva delle prese d'aria e dei filtri.
2. Controllare il funzionamento dei ventilatori: se ruotano, se non ci sono rumori estranei.
3. Pulire o sostituire i filtri dell'aria sporchi. SICUREZZA: assicurati che le ventole siano spente prima della pulizia per evitare lesioni.
4. Sostituire le ventole difettose.
5. Assicurarsi che il flusso d'aria non sia bloccato all'interno dell'armadio a causa del disallineamento di componenti o cavi.
6. Se la convezione naturale e la ventilazione forzata esistente non sono sufficienti (ad esempio, dopo l'aggiunta di nuove apparecchiature), prendere in considerazione l'installazione di ventilatori aggiuntivi o di un sistema di condizionamento dell'aria per l'armadio.
7. Eseguire un controllo termografico dopo aver corretto il problema di ventilazione.

9. Misure preventive

10. Pezzi di ricambio e componenti

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11. Collegamenti

• DSTU EN 50110-1:2017. Esercizio degli impianti elettrici.
• DSTU EN 61439-1:2018. Dispositivi completi di distribuzione a bassa tensione. Requisiti generali.
• DSTU EN 50160:2014. Caratteristiche della tensione di alimentazione nelle reti elettriche di uso generale.
• PUE (Regole per la sistemazione degli impianti elettrici).
• ISO 18434-1:2008. Monitoraggio delle condizioni e diagnostica delle macchine. Termografia.
• Norma IEEE 519-2014. Pratiche e requisiti raccomandati dall'IEEE per il controllo delle armoniche nei sistemi di energia elettrica.
• Manuali di servizio OEM per apparecchiature specifiche.
• Manuali di servizio UNITEC-D correlati.