Le interruzioni dell'alimentazione rappresentano uno degli eventi più critici per il corretto funzionamento degli impianti elettrici. La mancanza di tensione, in assenza di contromisure come gli UPS, porta a un arresto improvviso delle attività. Tuttavia, un aspetto altrettanto rilevante e talvolta sottovalutato è il transitorio che si verifica al ripristino della tensione dopo un'interruzione.
La norma CEI EN 50160 definisce l'interruzione come una condizione in cui la tensione ai terminali di fornitura, su tutte le fasi, scende al di sotto del 5% della tensione di riferimento (ovvero quella nominale del sistema).
Tipologie di Interruzioni
Le interruzioni possono essere classificate in:
- Programmate: Avvengono con preavviso agli utenti della rete e sono tipicamente legate all'esecuzione di lavori pianificati. Gli effetti possono essere mitigati dagli utenti adottando provvedimenti appropriati, come evitare l'utilizzo di macchinari sensibili durante l'orario previsto di inizio interruzione.
- Accidentali: Sono eventi imprevedibili e casuali, generalmente causati dall'intervento di dispositivi di manovra o protezione a seguito di guasti transitori o permanenti. Le cause più comuni includono eventi esterni come fenomeni meteorologici (in primis i fulmini) o incidenti che coinvolgono l'infrastruttura elettrica.
Le interruzioni accidentali sono ulteriormente classificate in base alla durata:
- Lunga: Durata superiore a 3 minuti.
- Breve: Durata inferiore a 3 minuti.
- Transitoria: Durata inferiore a 1 secondo.
Le interruzioni transitorie sono spesso correlate all'intervento dei dispositivi di richiusura automatica da parte delle società di distribuzione di energia.
Statistiche sulle Interruzioni
In condizioni normali di esercizio, il numero annuale di interruzioni può variare significativamente, da poche decine a diverse centinaia, a seconda delle caratteristiche della rete. Le statistiche indicano che circa il 70% delle interruzioni ha una durata inferiore al secondo. Le interruzioni lunghe accidentali sono solitamente originate da eventi imprevisti dal fornitore. Le statistiche ARERA suggeriscono che un miglioramento della qualità dell'infrastruttura di rete porta a una riduzione della numerosità delle interruzioni. In condizioni normali, la frequenza annuale di interruzioni lunghe può variare da meno di dieci a circa 50 eventi, a seconda delle zone considerate.
Impatto delle Interruzioni
L'effetto delle interruzioni, anche quelle transitorie, si manifesta in modo particolare sulle utenze più sensibili, tra cui:
- Calcolatori, PLC, processori
- Sistemi di controllo
- Azionamenti
- Illuminazione con lampade a scarica
- Apparecchiature elettroniche
- Relè di protezione e controllo
L'interruzione dell'alimentazione non solo causa l'arresto delle apparecchiature, ma può anche portare al loro danneggiamento. Un aspetto particolarmente critico è il transitorio di ripristino della tensione al termine dell'interruzione.
Il Transitorio di Ripristino della Tensione
Al rientro dopo un'interruzione, la tensione può presentare un transitorio molto rapido, caratterizzato da una sovraelongazione iniziale, talvolta definita come il "colpo di coda" dell'interruzione. Questa sollecitazione può provocare danneggiamenti alle apparecchiature più sensibili, inclusa la rottura di componenti elettronici di segnale su utenze 4.0 o processi integrati. Le schede elettroniche di apparecchiature industriali sofisticate, spesso customizzate e di valore elevato, sono particolarmente vulnerabili.
I costi associati a questi eventi includono non solo la sostituzione dei componenti danneggiati (che può comportare lunghi tempi di approvvigionamento), ma anche i costi della fermata dell'impianto per l'individuazione e la risoluzione del guasto.
Le sollecitazioni dovute all'andamento della tensione al rientro dalle interruzioni possono essere aggravate dall'intervento dei sistemi di richiusura rapida degli organi di manovra di media tensione, che provocano cicli multipli di apertura e chiusura degli interruttori in brevissimo tempo, moltiplicando le sollecitazioni.
Soluzioni per Mitigare i Transitori
Per ridurre le conseguenze di questi eventi, ORTEA ha sviluppato una funzionalità integrata negli stabilizzatori di tensione ORION PLUS e SIRIUS/SIRIUS ADVANCE, nonché nelle apparecchiature di efficientamento ENERSOLVE di taglie più elevate. Questa funzionalità, nota anche come "soft start" o "ammortizzatore di tensione", interviene in caso di interruzione dell'alimentazione.
Grazie all'utilizzo di supercondensatori, i regolatori di tensione si posizionano automaticamente alla regolazione di "minimo", che in condizioni di regime corrisponderebbe a una tensione elevata. Questo approccio mira a mitigare il transitorio di ripristino della tensione, proteggendo le apparecchiature connesse.
Fenomeni di Sovratensione
Le sovratensioni possono originarsi da diversi fenomeni, tra cui:
- Fenomeni atmosferici (fulmini): L'avvicinamento di nubi cariche elettricamente alle linee elettriche può indurre sovratensioni. I fulmini, con correnti che possono variare da alcune migliaia a oltre cento kiloampere, possono colpire direttamente le linee o indurre correnti attraverso il campo magnetico. Le sovratensioni indotte si propagano con forma d'onda impulsiva lungo i conduttori.
- Manovre di commutazione: L'apertura o la chiusura di interruttori, specialmente in presenza di carichi capacitivi (come linee a vuoto) o induttivi, può generare sovratensioni. L'interruzione di corrente in un circuito con induttanza, ad esempio, può causare picchi di tensione.
- Guasti monofase a terra: La presenza di una connessione di terra sulla bassa tensione deve essere opportunamente dimensionata. Un guasto a terra in una fase può causare un aumento della tensione nelle fasi sane e una significativa corrente verso terra nella fase guasta.
- Fenomeni di risonanza: In determinate condizioni, possono verificarsi fenomeni di risonanza che portano a elevate tensioni sui vari elementi del sistema.
Queste sovratensioni, che possono raggiungere valori pari al 130% della tensione di esercizio massima e, in alcuni casi, anche 300-400% della tensione di esercizio, sollecitano le varie parti dell'impianto e possono causare danni significativi.
Analisi dei Transitori nei Circuiti Elettrici
Le leggi dell'elettrotecnica, applicate ai circuiti lineari, sono valide anche per i transitori, a condizione che vengano considerate in un preciso istante temporale. Se si "fotografa" il circuito in un dato momento, i valori delle correnti e delle tensioni obbediscono alle leggi dei circuiti lineari.
Si definisce:
- \(t=0^-\): l'istante immediatamente precedente alla chiusura e/o apertura di un interruttore.
- \(t=0\): l'istante in cui avviene la commutazione dell'interruttore.
- \(t=0^+\): l'istante immediatamente successivo alla chiusura e/o apertura dell'interruttore.
Una caratteristica fondamentale dei circuiti con elementi reattivi (induttori e condensatori) è che la tensione ai capi di un condensatore e la corrente che fluisce in un induttore non possono variare istantaneamente. Qualsiasi variazione richiede un intervallo di tempo non nullo.
Metodologia di Analisi
Per analizzare i transitori, si assume inizialmente una condizione di regime (prima della commutazione). In questa fase:
- Il condensatore viene sostituito con un circuito aperto.
- L'induttore viene sostituito con un cortocircuito.
I valori di tensione ai capi del condensatore e di corrente nell'induttore determinati in questa fase rappresentano i valori all'istante \(t=0^+\), ovvero \(v_c(0^+)\) e \(i_L(0^+)\).
Successivamente alla commutazione (chiusura o apertura degli interruttori), e assumendo nuovamente una condizione di regime (per il circuito post-transitorio), si ripete la sostituzione di condensatore con circuito aperto e induttore con cortocircuito per determinare i nuovi valori di tensione e corrente. Parallelamente, è necessario calcolare la costante di tempo (\(\tau\)) del circuito RC o RL per valutare la durata del transitorio.
Per semplificare il calcolo, è utile applicare il teorema di Thevenin (o Norton) ai capi del condensatore o dell'induttore.
Esempio di Circuito RC
In un classico circuito RC, la costante di tempo è pari a \(R \cdot C\). La carica di un condensatore o la scarica di un induttore seguono leggi esponenziali che dipendono da questa costante di tempo.
Esempio di Circuito RL
Nel caso di un circuito RL, la costante di tempo è data da \(\frac{L}{R}\), dove R è la resistenza totale del circuito. La corrente finale in un induttore, dopo un tempo sufficientemente lungo, tende a zero se il ramo è aperto.
Protezione contro Sovracorrenti e Cortocircuiti
La protezione degli impianti elettrici contro sovracorrenti e cortocircuiti è fondamentale per garantire la sicurezza e l'integrità delle apparecchiature e dei conduttori. I dispositivi di protezione (come interruttori magnetotermici) devono essere dimensionati in modo da interrompere la corrente di guasto entro tempi adeguati, limitando l'energia termica passante a valori sopportabili dal conduttore.
Cortocircuito
Un cortocircuito è una condizione di collegamento a bassa impedenza tra due punti di un circuito a potenziale diverso. La corrente di cortocircuito può raggiungere valori elevatissimi, ben superiori alla corrente nominale di esercizio.
La protezione da cortocircuito si basa sul principio che l'energia termica (\(I^2t\)) dissipata dal conduttore durante il guasto non deve superare un valore limite, che dipende dalla sezione del cavo e dalle caratteristiche dell'isolante.
Per il dimensionamento dei conduttori e la verifica della protezione, si utilizzano tabelle e curve caratteristiche che mettono in relazione la corrente di cortocircuito, la sezione del cavo, il tempo di intervento della protezione e le proprietà dell'isolante.
La formula generale per il calcolo della sezione minima del conduttore per resistere a un guasto di cortocircuito è:
$$ S \ge \frac{I_k}{\sqrt{2} \cdot a} \cdot \sqrt{t} $$Dove:
- \(S\) è la sezione del cavo in mm².
- \(I_k\) è la corrente di cortocircuito presunta all'inizio della linea in Ampere.
- \(a\) è un coefficiente che dipende dalle caratteristiche dell'isolante e dalla temperatura massima ammissibile.
- \(t\) è il tempo di intervento della protezione magnetica in secondi.
È importante considerare anche la selettività tra i diversi dispositivi di protezione (protezione di sostegno o back-up) per garantire che solo l'interruttore più vicino al guasto intervenga, evitando interruzioni non necessarie.
