Le immagini termiche costituiscono un modo semplice per identificare evidenti differenze di temperatura nei circuiti elettrici trifase industriali rispetto alle normali condizioni di funzionamento. Mediante l’ispezione in parallelo dei gradienti termici di tutte e tre le fasi, i tecnici possono individuare rapidamente le anomalie di prestazione sulle singole linee causate da squilibri o sovraccarichi.
Uno squilibrio elettrico può essere dovuto a diversi motivi: un problema nell’erogazione della potenza, bassa tensione su una fase, o guasto della resistenza di isolamento all’interno degli avvolgimenti del motore.
Persino un piccolo squilibrio di tensione può causare il deterioramento dei collegamenti, riducendo la quantità di tensione fornita, per cui i motori e altri carichi assorbiranno troppa corrente, fornendo una coppia inferiore (con il relativo stress meccanico) e si guasteranno prima. Uno squilibrio grave può far bruciare un fusibile, riducendo le operazioni a una singola fase. Nel frattempo, la corrente sbilanciata ritornerà sul neutro, causando dei consumi energetici elevati.
Nella pratica, è virtualmente impossibile bilanciare perfettamente le tensioni nelle tre fasi. La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definisce gli squilibri come percentuale: % squilibrio – [(100)(deviazione massima dalla tensione media)] / tensione media. Per aiutare gli operatori delle apparecchiature a determinare livelli accettabili di squilibrio, la NEMA ha redatto delle specifiche per diversi dispositivi. Tali linee guida sono un utile punto di confronto per la manutenzione e la ricerca guasti.
Componenti comunemente ispezionati
Acquisire immagini termiche di tutti i quadri elettrici e di altri punti di connessione con carichi elevati, come azionamenti, sezionatori e controlli. Laddove si riscontri una temperatura più elevata, seguire il circuito ed esaminarne i rami e i carichi.
Controllare i quadri e gli altri collegamenti con i coperchi asportati. In teoria si dovrebbero controllare i dispositivi elettrici quando si sono riscaldati completamente e sono a regime, con almeno il 40% del carico tipico. In tal modo, le misurazioni possono essere valutate correttamente e confrontate con le normali condizioni di esercizio.
Il riscaldamento anomalo associato a un’elevata resistenza o a un flusso di corrente eccessivo è la causa principale di molti problemi negli impianti elettrici. La termografia a infrarossi ci consente di vedere questi segni termici invisibili di danni imminenti prima che si verifichino. Quando la corrente passa attraverso un circuito elettrico, parte dell’energia elettrica viene convertita in energia termica. Ciò è normale. Tuttavia, se nel circuito è presente una resistenza o un flusso di corrente troppo alto, viene generato un calore eccessivamente elevato che rappresenta uno spreco che è potenzialmente dannoso.
La legge di Ohm (P=I2R) descrive la relazione tra corrente, resistenza elettrica ed energia elettrica o termica generata. Utilizziamo un’elevata resistenza elettrica per ottenere risultati positivi, come il calore in un tostapane o la luce in una lampadina. Tuttavia, a volte viene generato calore indesiderato che può causare danni costosi. Conduttori troppo piccoli, collegamenti allentati o un flusso di corrente eccessivo possono causare un riscaldamento indesiderato eccessivamente elevato, che può dar luogo a circuiti elettrici pericolosamente caldi. I componenti possono diventare talmente caldi da fondersi.
Le termocamere ci consentono di vedere la mappatura termica associata a un’elevata resistenza elettrica molto prima che il circuito diventi così caldo da causare un’interruzione o un’esplosione. Fare attenzione a due schemi termici di base associati a guasti elettrici: 1) un’alta resistenza causata da un contatto superficiale scadente e 2) un problema di sovraccarico del circuito o di squilibrio multifase.
Cosa cercare
Carichi uguali dovrebbero equivalere a temperature uguali. In una situazione di carico sbilanciato, le fasi con carico maggiore risulteranno più calde delle altre a causa del calore prodotto dalla resistenza. Tuttavia, un carico sbilanciato, una connessione scadente e un’asimmetria delle armoniche possono dare luogo a una situazione analoga. Per diagnosticare il problema è necessario misurare il carico elettrico.
È buona prassi creare un ciclo di ispezione regolare che includa tutti i collegamenti elettrici principali. Utilizzando il software fornito con la termocamera Fluke, salva ogni immagine acquisita su un computer e tieni traccia delle misurazioni nel tempo. Ciò consente di creare delle immagini di riferimento da confrontare con quelle acquisite in date successive. Tale procedura aiuterà anche a determinare se un punto caldo o freddo è insolito. Dopo l’azione correttiva, le nuove immagini aiuteranno a determinare se le riparazioni sono state eseguite correttamente.
Il calore viene prodotto dal flusso di corrente che passa attraverso un contatto con elevata resistenza elettrica. Questo tipo di problema è generalmente associato ai contatti e ai connettori degli interruttori. Spesso, il punto di riscaldamento può essere molto piccolo, meno di 1/16 di pollice all’inizio. Qui di seguito sono riportati diversi esempi di viste istantanee a infrarossi durante le dimostrazioni ai clienti.
Il termogramma A) è relativa ad un controllore di un motore per un ascensore in un grande hotel. Uno dei collegamenti trifase era allentato, causando una maggiore resistenza in corrispondenza del connettore. Il riscaldamento in eccesso ha prodotto un aumento di temperatura di 50 °C (90 °F). Il termogramma B) è un’installazione di fusibili trifase in cui un’estremità di un fusibile presenta un cattivo contatto elettrico con il circuito. L’aumento della resistenza di contatto ha causato una temperatura più calda di 45 °C (81 °F) in corrispondenza di quel collegamento rispetto agli altri collegamenti del fusibile. Il termogramma C) è un morsetto portafusibili in cui un contatto è 55 °C (99 °F) più caldo degli altri. E il termogramma D) è una presa per parete bifase in cui i collegamenti dei fili erano allentati, causando l’innalzamento della temperatura dei terminali di 55 °C (100 °F) in più rispetto alla temperatura ambiente.
Tutti e quattro questi esempi erano gravi e hanno richiesto attenzione immediata. Il termogramma B) mostra un principio interessante utilizzato per interpretare i modelli termici del circuito elettrico. Il fusibile è caldo solo a un’estremità. Se il fusibile fosse caldo su entrambe le estremità, il problema sarebbe interpretato in modo diverso. Un circuito sovraccaricato, uno squilibrio di fase o un fusibile sottodimensionato causerebbero il surriscaldamento di entrambe le estremità del fusibile. Un’estremità calda indica che il problema è un’elevata resistenza di contatto presso tale estremità.
La presa per parete del termogramma D) è stata gravemente danneggiata, come mostrato nell’immagine sottostante; tuttavia ha continuato a funzionare fino a quando non è stata sostituita.
Cosa rappresenta un “allarme rosso”?
La priorità delle riparazioni deve essere data alla sicurezza, ovvero alle condizioni delle apparecchiature che rappresentano un rischio per la sicurezza, seguita dalla criticità delle apparecchiature e dall’aumento della temperatura. Le linee guida NETA (InterNational Electrical Testing Association) stabiliscono l’azione immediata da intraprendere quando la differenza di temperatura tra componenti elettrici simili soggetti a carichi simili supera i 15 °C (27 °F), o quando la differenza di temperatura tra un componente elettrico e la temperatura dell’aria ambiente supera i 40 °C (72 °F).
Gli standard NEMA avvisano di non utilizzare un motore con uno squilibrio di tensione superiore all’uno percento. In effetti, NEMA consiglia di declassare i motori, se funzionano con uno squilibrio maggiore. La percentuale di squilibrio di sicurezza varia per le altre apparecchiature.
I seguenti termogrammi mostrano circuiti sovraccarichi. Il termogramma E) mostra un quadro elettrico in cui l’interruttore principale in alto raggiunge i 75 °C (135 °F) al di sopra della temperatura ambiente. Il quadro complessivo è sovraccarico e necessita di attenzione immediata. Nei termogrammi E) e F), tutti gli interruttori automatici standard sono surriscaldati. Le loro temperature erano di 60 °C (108 °F) al di sopra della temperatura ambiente. Anche se nel termogramma i fili sono di colore blu, sono anch’essi caldi, da 45 a 50 °C (da 81 a 90 °F). È necessario rieseguire l’intero impianto elettrico.
Il termogramma G) mostra una linea di un controllore che è circa 20 °C (36 °F) in più rispetto alle altre. Ciò richiede ulteriori indagini per determinare perché un filo è molto più caldo degli altri e per stabilire le riparazioni necessarie. Il termogramma H) mostra un trasformatore di corrente che è di 14 °C (25 °F) più caldo degli altri due trasformatori in un’installazione di servizio trifase. Ciò indica un grave squilibrio del servizio, o un trasformatore di corrente difettoso che potrebbe influire significativamente sui costi energetici del cliente.
Requisiti di carico
Quando si effettua un’ispezione, è importante che il sistema sia sotto carico. Nello svolgimento dell’ispezione attendere fino ad individuare il “caso peggiore” o i carichi di picco, o quando il carico è almeno del 40% (secondo NFPA 70B). Il calore generato da un collegamento allentato aumenta al quadrato del carico; più alto è il carico, più è facile individuare i problemi.
Non dimenticare di considerare l’effetto rinfrescante del vento o di altri movimenti dell’aria.
Solo temperatura superficiale
Le camere a infrarossi non sono in grado di vedere attraverso armadietti elettrici o vassoi per bus in metallo. Quando possibile, aprire gli alloggiamenti in modo che la camera possa vedere direttamente i circuiti elettrici e i componenti. Se si riscontra una temperatura eccessivamente elevata sulla superficie esterna di un alloggiamento, è certo che la temperatura è ancora più alta, e di solito molto più alta, all’interno dello stesso. Di seguito sono riportati alcuni termogrammi di un alloggiamento bus che identificano un problema grave con i bus elettrici all’interno dell’alloggiamento. I punti caldi erano nell’ordine di 10 °C (50 °F) più caldi rispetto alla temperatura ambiente, e di 6 °C (42.8 °F) più caldi rispetto ad altre parti dell’alloggiamento bus.
Alloggiamenti per bus:
Distribuzione elettrica
Un impianto elettrico può contenere centinaia di apparecchiature differenti. Esso inizia con la produzione di elettricità di rete, la distribuzione ad alta tensione, le centraline e le sottostazioni, e termina con i trasformatori di servizio, i gruppi di comando, gli interruttori, i contatori, la distribuzione locale e pannelli di apparecchiature. Molte aziende hanno acquistato FlexCam® o SnapShot® per facilitare le procedure di manutenzione. E quasi tutti i tipi di industria hanno acquistato le camere a infrarossi per semplificare la manutenzione del sistema di distribuzione elettrica.
Il termogramma M) è un trasformatore di servizio che aveva perso olio di raffreddamento, causando un pericoloso surriscaldamento delle bobine vicino alla parte superiore. Una connessione era di 160 °C (288 °F) al di sopra della temperatura ambiente. Il trasformatore doveva essere sostituito immediatamente, ma l’azienda voleva ritardare la riparazione di un mese, in modo che potesse essere eseguita durante un fermo programmato dell’impianto. Hanno utilizzato la camera a infrarossi per monitorare lo stato del trasformatore e ritardare con successo la riparazione. Il termogramma N) è per un trasformatore di servizio montato su un’asta che ha un collegamento di 30 °C (54 °F) più caldo della temperatura ambiente. Tale condizione ha richiesto la manutenzione alla successiva occasione. Il termogramma O) mostra una connessione di rete calda su un interruttore presso una sottostazione in
Messico. La connessione è risultata essere di 14 °C (25 °F) più calda rispetto alle altre. Si riteneva che questo fosse un problema che richiedeva attenzione. Il termogramma P) mostra una connessione sopraelevata in una sottostazione in Perù. Era meno di 10 °C o (18 °F) al di sopra della temperatura ambiente e non era di immediato interesse.
Quali sono i costi potenziali di un guasto?
Il risultato tipico di uno squilibrio di tensione è il guasto del motore. Il costo totale implica il costo del motore, la manodopera necessaria per sostituire il motore, il costo del prodotto scartato a causa della produzione irregolare, il funzionamento della linea e i ricavi persi durante il periodo di tempo in cui una linea è ferma.
Supponiamo che il costo per la sostituzione di un motore da 50 CV ogni anno sia di USD 5.000, manodopera compresa. Supponiamo 4 ore di fermo all’anno con una perdita di reddito di USD 6000 all’ora. Costo totale: USD 5000 + (4 x USD 6000) = USD 29.000 all’anno.
Azioni di follow-up
Quando un’immagine termica indica che un intero conduttore è più caldo degli altri componenti in una sezione di un circuito, è possibile che il conduttore sia sottodimensionato o sovraccaricato. Controllare il carico nominale e il carico effettivo del conduttore per determinare quale delle due situazioni si sta verificando.
Utilizzare un multimetro a pinza o un analizzatore di rete per verificare l’equilibrio elettrico e il carico su ogni fase.
Per quanto riguarda la tensione, controllare la protezione e i gruppi di comando per verificare l’eventuale presenza di cadute di tensione. In generale, la tensione di rete deve essere compresa entro il 10% della tensione nominale riportata sula targhetta. La tensione tra neutro e massa indica il livello di carico del sistema e aiuta a rilevare le correnti armoniche. Una tensione tra neutro e massa superiore al 3% dovrebbe essere motivo di ulteriori verifiche.
I carichi possono variare e una fase può risultare con una tensione inferiore del 5% su una linea se entra in gioco un carico monofase alquanto elevato. Anche le cadute di tensione sui fusibili e sugli interruttori possono generare squilibri sul motore elettrico e calore eccessivo nel punto di origine del problema. Prima di presumere di avere trovato la causa, fare una doppia verifica con una termocamera e delle misurazioni di corrente con un multimetro o un multimetro a pinza.
Né la linea di distribuzione, né i circuiti di derivazione dovrebbero essere caricati fino al limite massimo consentito. Le equazioni relative al carico del circuito dovrebbero tenere conto anche delle armoniche. La soluzione più comune in caso di sovraccarico è la ridistribuzione dei carichi tra i circuiti o la gestione del momento in cui i carichi entrano in gioco nel processo.
Utilizzando il software associato, ogni problema sospetto scoperto con una termocamera può essere documentato in un report comprendente un’immagine termica e un’immagine digitale dell’apparecchiatura. Questo è il modo migliore per comunicare i problemi e suggerire le riparazioni.