Analisi delle cause prime delle false azionamenti dei relè termici: regimi di temperatura, profili di carico e errori di selezione

Introduzione: sintomatologia delle guasti nei reparti delle imprese ucraine

Nei impianti dell'industria pesante e dell'ingegneria meccanica in Ucraina, le interruzioni di emergenza del macchinario causate da azionamenti falsi degli organi di protezione rappresentano fino al 35% di tutti i fermo improvvisi delle linee. Scenario tipico: il motore principale di un trasportatore o di una stazione pompe si arresta improvvisamente durante un ciclo tecnologico senza segni visibili di sovraccarico elettrico. L'elettricista di turno registra l'azione di un relè termico a bimetallo o di un rilevatore elettronico di sovraccarico. Le misurazioni del corrente di lavoro con strumenti a pinza mostrano valori non superiori alla corrente nominale del motore ($I_n$). L'atto di riavviare immediatamente spesso si conclude con un ulteriore interruzione di emergenza dopo 3-5 minuti. Eventi simili causano perdite di produttività, scarti di materie prime nei processi continui e un consumo prematuro degli organi di commutazione.

In questo materiale tecnico eseguiremo un'indagine tecnico-legale sulle cause di tali malfunzionamenti, prendendo come esempio l'interazione tra circuiti di potenza e sensori di posizione, in particolare sensori induttivi come Schneider Electric XS212BLPBM12, che operano in condizioni severe dei reparti ucraini con oscillazioni di temperatura da $-25\,^\circ ext{C}$ a $+55\,^\circ ext{C}$.

Oggetto del componente e il suo ambiente di lavoro

Relè termici per sovraccarico sono destinati alla protezione dei motori asincroni a rotore avvolto da sovraccarichi prolungati, interruzione di fase e asimmetria dei correnti. Vengono installati direttamente dopo il contattore nel circuito di potenza a corrente alternata (standard DSTU EN 60947-4-1, IEC 60947-4-1).

Il ciclo standard di lavoro prevede l'operazione in ambiente con temperatura ambiente nominale di $+20\,^\circ ext{C}$ o $+30\,^\circ ext{C}$ a seconda della specifica del produttore. Tuttavia le condizioni reali di esercizio nei impianti ucraini (combinati metallurgici di Zaporožje, combinati estrattivi-arricchitori di Krivoj Rog, impianti del settore chimico di Čerkasy) si differenziano significativamente da quelle laboratoriali. Gli quadri elettrici chiusi installati vicino a forni o tubazioni calde creano un microclima con temperatura interna superiore a $+50\,^\circ ext{C}$. In tali condizioni il calibraggio delle lamine bimetalliche perde precisione.

Basi di prova e dati diagnostici

Durante l'ispezione sul campo della stazione di compressione nel distretto di Dnipro è stata registrata una serie di falsi trigger dell motore principale della compressore con potenza $37 ext{ kW}$ ($I_n = 68 ext{ A}$). L'analisi dei log degli eventi del controller e delle sistemi di monitoraggio ha rivelato i seguenti fatti:

• Vibrazione sul corpo del motore: $2.8 ext{ mm/s}$ RMS (entro i limiti normali per ISO 10816-3 per la classe II).
• Temperatura all'interno della scatola di distribuzione al livello del relè termico: $+52.4\,^\circ ext{C}$.
• Le oscillogrammi dei correnti di avviamento hanno mostrato un tempo di accelerazione prolungato a causa di una caduta di tensione nella rete industriale fino a $372 ext{ V}$ (calo del $14\%$ rispetto ai $400 ext{ V}$ nominali).
• Sensori di posizione del meccanismo, in particolare interruttori induttivi Schneider Electric XS212BLPBM12, che segnalano l'apertura del valvola di scarico, erano soggetti all'influenza di distorsioni armoniche provenienti dal convertitore di frequenza ($THD_u > 8\%$), che causavano microimpulsi nei circuiti di controllo e comandi errati di inversione.

MTBF fissato per il modulo di protezione in condizioni di temperatura non compensata è sceso dai valori indicati di $150\,000$ ore a $1\,200$ ore.

Analisi sistematica delle cause radice (Metodologia Ishikawa)

Per l'identificazione delle cause profonde della degradazione del sistema di protezione è stata utilizzata la diagramma di Ishikawa basata sui quattro vettori principali: ambiente, attrezzatura, personale e metodologia di calcolo.

1. Fattori ambientali (Environmental Factors)

Il relè termico reagisce alla temperatura totale: generata dal corrente interna e ricevuta dall'ambiente circostante. L'aumento della temperatura nella scatola sopra $+40\,^\circ ext{C}$ costringe il bimetallo a piegarsi prima dell'arrivo della corrente nominale. Il coefficiente di correzione della corrente di azionamento a $+50\,^\circ ext{C}$ è circa $0.88$ rispetto al nominale.

2. Errori di progettazione e selezione (Sizing Errors)

Spesso i progettisti scelgono i relè termici in base al corrente nominale del motore, senza considerare il grafico di avviamento (classe di interruzione 10, 20, 30 in base al DSTU EN 60947-4-1), la presenza di cicli frequenti di avviamento-arresto (più di 15 avvii all'ora) e il carattere del carico (ventilatori inerziali, macchine tritacarote pesanti).

3. Qualità dell'energia elettrica (Power Quality)

Asimmetria della tensione (disuguaglianza del carico per fase) crea una sequenza di corrente inversa nelle bobine del rotore. Anche con un'asimmetria della tensione di soli $3\%$, l'asimmetria del corrente può raggiungere $15-20\%$, surriscaldando una delle piastre bimetalliche di fase.

Causei identificate (Elenco ordinato)

1. Sovraccalore della scatola di controllo (Probabilità: 45%). Assenza di ventilazione forzata e climatizzazione nelle scatole di potenza in caso di temperatura esterna del reparto superiore a $+35\,^\circ ext{C}$.
2. Incongruenza della classe del rilascio con il regime di funzionamento (Probabilità: 25%). Utilizzo di un relè di classe 10 su meccanismi con avviamento pesante (tempo di avviamento superiore a $10$ secondi).
3. Caduta di tensione nella rete e armoniche (Probabilità: 20%). Aumento del tempo di accelerazione del motore a causa di cadute di tensione nelle reti industriali $0.4 ext{ kV}$.
4. Errori di montaggio e supporti di transizione sui terminali (Probabilità: 10%). Ossidazione o momento di serraggio insufficiente dei bulloni dei terminali di potenza ($M_A < 2,5 ext{ Nm}$), che causa riscaldamento locale a causa della resistenza di transizione e trasmissione del calore al relè bimetallico.

Misure correttive e preventive

Per eliminare i difetti rilevati e prevenire incidenti sulle linee di produzione è necessario implementare un insieme di soluzioni tecniche:

• Intervento immediato (Azioni urgenti): Ridurre la soglia di azionamento del relè tenendo conto della correzione termica in base alla nomogramma del produttore o installare un relè con compensazione della temperatura ambientale (intervallo da $-20\,^\circ ext{C}$ a $+60\,^\circ ext{C}$). Controllare il momento di serraggio di tutti i contatti principali con strumenti dinamometrici ($2.5 ext{ Nm}$ per i viti standard M4).
• Modernizzazione a lungo termine: Installare sistemi di controllo climatico (moduli filtroventilazione con termostati o condizionatori industriali) nelle scatole di distribuzione per mantenere una temperatura stabile di $+25\,^\circ ext{C} \pm 5\,^\circ ext{C}$. Sostituire i relè elettromeccanici obsoleti con blocchi di protezione motore moderni con misurazione dei valori RMS veri (True RMS) e possibilità di connessione tramite protocolli Modbus RTU per l'integrazione nel sistema di controllo industriale (SCADA).
• Sostituzione di componenti accessori: In caso di guasto di elementi di automazione, utilizzare sensori industriali e apparecchiature di commutazione certificati secondo lo standard CE, selezionati attraverso UNITEC-D E-Catalog per garantire la compatibilità con le normative europee e ucraine.

Carta diagnostica rapida per il personale del reparto (Tablet-compatibile)

Questo check-list è destinato agli ingegneri della affidabilità e agli elettricisti di manutenzione durante un'indagine diagnostica rapida sul sito:

• [ ] Passo 1. Controllo della temperatura della scatola: Misurare con pirometro la temperatura dell'aria all'interno della scatola a livello del bordo superiore del contattore (norma: $< +40\,^\circ ext{C}$).
• [ ] Passo 2. Controllo delle correnti di carico: Misurare le correnti su tutte e tre le fasi (A, B, C) utilizzando degli clamp metri (la deviazione asimmetrica non deve superare $2-3\%$).
• [ ] Passo 3. Ispezione delle connessioni a morsetto: Eseguire un controllo termico delle connessioni a contatto per la presenza di punti caldi ($\Delta T > 15\,^\circ ext{C}$ rispetto alla barra).
• [ ] Passo 4. Analisi della caratteristica di avviamento: Misurare con un oscilloscopio digitale la durata del periodo di avviamento del motore ($t_{start}$).
• [ ] Passo 5. Verifica dei circuiti di controllo: Testare la stabilità dei segnali dai sensori di posizione per la presenza di false azionamenti causati da interferenze elettromagnetiche.
• [ ] Passo 6. Verifica della corrente nominale: Controllare la corrispondenza della corrente nominale del relè termico con la corrente nominale del motore tenendo conto del fattore di servizio (SF).
• [ ] Passo 7. Controllo dello stato del bimetallo: Verificare l'assenza di danni meccanici o segni di corrosione sul corpo dell'apparato di protezione.
• [ ] Passo 8. Test della pulsante Test/Reset: Verificare la funzionalità meccanica del gruppo di contatti della segnalazione (97-98).

Strategia di prevenzione delle guasti

Per garantire la continuità dei processi produttivi negli impianti industriali dell'Ucraina è necessario introdurre un sistema di assistenza a tre livelli:

1. Manutenzione preventiva (PM): Controllo trimestrale e tara delle prese di forza con chiave dinamometrica, pulizia dei filtri di ventilazione delle scatole di distribuzione.
2. Monitoraggio dello stato (PdM): Installazione di sensori di temperatura all'interno delle casse di controllo con trasmissione di segnali di allarme al livello superiore del sistema SCADA in caso di raggiungimento della temperatura limite $+45\,^\circ ext{C}$. Controllo termico periodico dell'equipaggiamento elettrico (non meno di 2 volte all'anno).
3. Gestione delle parti di ricambio: Costante disponibilità in magazzino di elementi critici di protezione e commutazione, selezionati tenendo conto delle condizioni operative reali attraverso UNITEC-D E-Catalog.

Conclusione

I falsi scatti dei relè termici non sono un effetto inevitabile dell'usura dell'attrezzatura. Si verificano a causa della non osservanza dei regimi termici all'interno delle scatole di distribuzione, errori durante la selezione iniziale degli apparecchi e trascurazione dei parametri reali della rete di alimentazione. Un approccio sistematico alla diagnosi, che include il controllo termico, l'analisi delle armoniche e la correzione delle impostazioni tenendo conto dell'influenza dell'ambiente, permette di ridurre il numero di arresti improvvisi del $80\%$. Per la selezione di componenti e dettagli affidabili sostituire i componenti obsoleti utilizzando UNITEC-D E-Catalog.

Riferimenti normativi e letteratura

• DSТU EN 60947-4-1:2014 «Apparati di distribuzione e controllo a bassa tensione. Parte 4-1. Contattori e motori di avviamento elettromeccanici»
• IEC 60947-4-1:2018 «Impianti elettrici a bassa tensione - Parte 4-1: Contattori e motori di avviamento - Contattori e motori di avviamento elettromeccanici».
• ISO 10816-3:2009 «Vibrazione meccanica - Valutazione della vibrazione delle macchine mediante misurazioni su parti non rotanti».
• Documentazione tecnica e manuali d'uso di Schneider Electric riguardanti la protezione dei motori elettrici della serie TeSys.
• Manuale di analisi delle cause di guasto dell'attrezzatura elettrica industriale, UNITEC-D Engineering Handbook, 2023.