Come valutare le caratteristiche di 'resistenza al cortocircuito' (Icw) per le stazioni elettriche industriali pesanti.

Il ruolo fondamentale delle classi di tenuta al cortocircuito nelle centrali elettriche industriali

Le stazioni di alimentazione industriali pesanti, come quelle che alimentano le operazioni minerarie, gli impianti chimici e le grandi strutture manifatturiere, operano all'interno di reti elettriche ad alta energia. In questi contesti, la sicurezza elettrica riveste un'importanza fondamentale. Quando si verifica un guasto elettrico, ad esempio un cortocircuito lungo la linea a valle di un grande sbarra di distribuzione, l'energia rilasciata è immensa. Un evento di cortocircuito può generare correnti decine o centinaia di volte superiori alla corrente normale di funzionamento dell'impianto. Questo enorme sovraccarico di corrente esercita sollecitazioni fisiche e termiche estreme su tutti i componenti del percorso elettrico, inclusi gli apparecchi di commutazione, gli interruttori automatici, le sbarre collettore e gli inverter. Per prevenire distruzioni catastrofiche delle apparecchiature, esplosioni e lesioni al personale, gli ingegneri dei sistemi devono valutare con attenzione e specificare la classe di tenuta al cortocircuito (Icw) di tutta l'infrastruttura elettrica.

Definizione di Icw: limiti di sollecitazione meccanica, termica ed elettrica

La corrente di cortocircuito ammissibile (Icw) è una metrica standardizzata definita da organismi internazionali di ingegneria, come la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC 61439). Il valore Icw specifica il valore efficace (r.m.s., root-mean-square) massimo della corrente di cortocircuito che un componente o un insieme può sopportare in sicurezza per un periodo prestabilito (tipicamente 1,0 secondo, anche se talvolta viene indicato per 0,5 o 3,0 secondi) senza subire danni permanenti o compromettere la sicurezza. Per valutare l’Icw, gli ingegneri devono comprendere i due distinti tipi di sollecitazione che un cortocircuito impone ai sistemi elettrici:

• Sollecitazione termica: il flusso di corrente massiccio genera calore a un ritmo esponenziale, proporzionale al quadrato della corrente (I²t). Nel giro di millisecondi, la temperatura dei conduttori può salire a centinaia di gradi Celsius, con conseguente fusione dell’isolamento, indebolimento dei giunti meccanici in rame e distruzione dei substrati delle schede a circuito stampato.
• Sollecitazione meccanica: in condizioni di cortocircuito, i conduttori adiacenti percorsi da queste elevate correnti subiscono forze elettromagnetiche immensamente intense. Tali forze possono deformare le barre collettrici in rame, strappare i cavi dai loro supporti di fissaggio e distruggere gli involucri strutturali. La forza massima è proporzionale al quadrato della corrente di picco (Ipk), che può raggiungere fino a 2,2 volte il valore efficace (r.m.s.) della corrente nei sistemi in corrente alternata.

Un valore di portata Icw adeguato garantisce che l’hardware della centrale elettrica possa resistere sia allo shock termico rapido sia alle violente sollecitazioni meccaniche fino a quando i dispositivi di protezione a monte (ad esempio interruttori automatici ad alta velocità o fusibili) non abbiano eliminato il guasto.

Calcolo della capacità di corrente di cortocircuito e valutazione dei rischi del sistema

La determinazione del valore richiesto di Icw per una centrale elettrica industriale è un processo matematico rigoroso. Gli ingegneri del sistema devono effettuare uno studio dettagliato del cortocircuito sull’intera rete elettrica dell’impianto. Tale studio prevede diversi passaggi fondamentali:

• Passo 1: Determinare la capacità di cortocircuito dell’ente erogatore. Ottenere la corrente di cortocircuito disponibile massima (Isc) dall’ente erogatore locale nel punto di connessione comune. Questo rappresenta la base iniziale per i calcoli.
• Passo 2: Calcolare l’impedenza della sorgente. Modellare l’impedenza elettrica di tutti i componenti a monte, inclusi i cavi dell’ente erogatore, le cabine di trasformazione, i trasformatori ad alta tensione e i generatori locali. Un’impedenza del sistema più bassa comporta correnti di cortocircuito di guasto potenzialmente più elevate.
• Passo 3: Tenere conto del contributo dei motori locali. Nei grandi impianti industriali, i motori elettrici di grande potenza in funzione al momento del guasto possono agire brevemente da generatori, riversando ulteriore corrente nel cortocircuito. Gli ingegneri devono aggiungere questo contributo dei motori alla corrente di cortocircuito calcolata.
• Passo 4: Determinare la corrente di guasto presunta. Calcolare la corrente di guasto efficace (r.m.s.) massima in ciascun barra principale critica e in ciascun punto di distribuzione dell’energia all’interno dell’impianto. Il valore Icw dell’apparecchiatura di comando e protezione e dei componenti installati in tali punti deve superare tali correnti di guasto presunte con un adeguato margine di sicurezza (tipicamente del 10–20%).

Selezione dell’apparecchiatura di comando e protezione e dei dispositivi di protezione degli impianti elettrici con valore Icw adeguato

Una volta determinate le correnti di guasto presunte, gli ingegneri devono selezionare componenti che soddisfino o superino tali requisiti. Nella valutazione dell’apparecchiatura di comando e protezione e dei dispositivi di protezione degli impianti elettrici, tenere presenti le seguenti considerazioni:

• Protezione coordinata (selettività): per ridurre al minimo i tempi di fermo, il sistema deve essere progettato con coordinamento selettivo. Ciò significa che un guasto a valle deve provocare l'intervento solo dell'interruttore automatico immediatamente a monte del guasto, lasciando alimentata il resto dell'impianto. Affinché ciò sia possibile, gli interruttori a monte devono rimanere chiusi durante il guasto per un breve periodo, il che implica che devono possedere un'elevata capacità di resistenza termica (Icw) per sopportare la corrente mentre si attende l'intervento degli interruttori a valle.
• Fissaggio integrato delle sbarre collettore: negli armadi di quadri elettrici pesanti, le sbarre collettore in rame devono essere fissate mediante supporti isolanti rinforzati (fissaggi per sbarre collettore), dimensionati per resistere alle forze meccaniche calcolate (Ipk). Assicurarsi che gli insiemi di quadri elettrici abbiano subito prove fisiche di tipo per verificare i limiti nominali di Icw.
• Riduzione della corrente di cortocircuito ammissibile a causa della temperatura ambiente: temperature ambientali elevate all'interno di involucri industriali possono ridurre il margine termico dei conduttori in rame. Gli ingegneri devono applicare opportuni fattori di riduzione ai valori di Icw qualora l'apparecchiatura operi in ambienti caldi e non ventilati.

Integrazione dell'infrastruttura elettrica pesante JYINS per ambienti con elevata corrente di cortocircuito

JYINS è un produttore leader di sistemi ad alta affidabilità per la conversione di potenza e la protezione dei circuiti, progettati per esigenti applicazioni B2B. I nostri quadri elettrici industriali pesanti, interruttori di corrente personalizzati e unità di distribuzione di potenza sono progettati per soddisfare gli standard di sicurezza più elevati del settore.

I prodotti JYINS subiscono estese prove di tipo presso laboratori accreditati specializzati nei test ad alta potenza. Durante tali prove, i nostri quadri elettrici vengono sottoposti a correnti di cortocircuito simulate fino a 50 kA o 100 kA per un intero secondo, verificando che le nostre strutture, i nostri sbarre collettore e i supporti isolanti possano facilmente resistere alle condizioni di guasto reali.

I nostri avanzati interruttori automatici sono dotati di meccanismi di scatto magnetico rapidi, in grado di interrompere cortocircuiti gravi in meno di 10 millisecondi, riducendo in modo significativo l'energia termica totale (I quadrato t) lasciata passare. Questa rapida interruzione protegge i cavi a valle, gli inverter ad alte prestazioni e le apparecchiature di controllo sensibili dai danni, riducendo i costi di riparazione e minimizzando i tempi di fermo operativi.

Norme di conformità: requisiti IEC 61439 e UL 891

Per garantire la conformità globale e la sicurezza, gli acquirenti B2B devono specificare che tutti i componenti della stazione elettrica rispettino le principali norme internazionali. Le norme più rilevanti per le prestazioni di resistenza ai cortocircuiti includono:

• IEC 61439-1/-2: questa norma definisce i requisiti per gli assiemi di apparecchiature per quadri elettrici a bassa tensione e stabilisce i metodi di prova e i fattori di sicurezza per la verifica di Icw, Ipk e delle prestazioni termiche.
• UL 891: Questa norma riguarda i quadri elettrici a frontale chiuso utilizzati in Nord America, specificando la resistenza meccanica e i margini di sicurezza elettrica richiesti per proteggere contro i cortocircuiti.

Integrando negli impianti industriali ad alta potenza i quadri elettrici e i sistemi di protezione dei circuiti certificati JYINS, gli addetti alla sicurezza e gli ingegneri responsabili dei sistemi possono essere certi che le loro strutture siano protette da apparecchiature progettate per resistere ai guasti elettrici più gravosi. Il nostro team di esperti ingegneri è a disposizione dei clienti B2B per eseguire calcoli relativi ai cortocircuiti, studi di coordinamento della protezione e selezione personalizzata delle attrezzature, al fine di garantire un sistema elettrico sicuro, robusto e altamente affidabile.