Tecnologia di protezione dalla perdita di fase dei relè: principi, applicazioni e tendenze di sviluppo

In quanto componente fondamentale del sistema di controllo elettrico, il relè svolge un ruolo insostituibile nel campo della protezione dell'energia elettrica. Tra questi, la protezione dalla perdita di fase è una funzione importante dei relè, direttamente correlata al funzionamento sicuro di motori e altre apparecchiature elettriche. Questo articolo analizzerà in modo esauriente il principio di funzionamento, gli scenari applicativi tipici, le difficoltà tecniche e le ultime tendenze di sviluppo della protezione contro la perdita di fase dei relè per aiutare i lettori a comprendere a fondo l'importanza di questa tecnologia chiave nell'industria moderna.

Principi di base e importanza della protezione dalla perdita di fase

Definizione di perdita di fase

La perdita di fase si riferisce alla perdita o alla disconnessione di una qualsiasi fase in un'alimentazione trifase o a un circuito aperto in una fase di un avvolgimento del motore, contattore, fusibile, interruttore automatico, terminale o altro collegamento, con conseguente funzionamento asimmetrico del circuito trifase. Le cause comuni includono:

• Fusibile monofase bruciato;
• Contatto teleruttore monofase non chiuso o bruciato;
• Guasto all'interruttore monofase;
• Disconnessione cavo o terminale monofase;
• Circuito aperto dell'avvolgimento del motore monofase;
• Messa a terra o disconnessione monofase lato rete.

Rischi di guasti per perdita di fase

La perdita di fase si riferisce al fenomeno in cui manca una qualsiasi fase dell'alimentazione in un sistema di alimentazione trifase. È una delle principali cause di burnout dei motori asincroni trifase. Quando un motore trifase perde una fase durante il funzionamento, viene generata una componente di corrente di sequenza negativa, causando uno squilibrio della corrente trifase o una corrente eccessiva, che a sua volta provoca la bruciatura istantanea dell'avvolgimento del motore. Secondo le statistiche, circa il 40% dei guasti ai motori è legato alla perdita di fase dell’alimentazione.

Principi di base della protezione dalla perdita di fase dei relè

Rilevamento di corrente e rilevamento di tensione

La protezione mancanza di fase determina solitamente i guasti attraverso i seguenti metodi:

• Tipo di rilevamento corrente: monitora se la corrente trifase è simmetrica. Dopo la perdita di fase, la corrente in una fase è pari a zero o notevolmente ridotta, mentre la corrente nelle altre due fasi aumenta.
• Tipo di rilevamento tensione: monitora se la tensione trifase è simmetrica. Dopo la perdita di fase, la tensione in una fase diminuisce o scompare e il punto neutro si sposta.
• Tipo di rilevamento del componente di sequenza negativa: estrae la corrente di sequenza negativa o la tensione di sequenza negativa tramite algoritmi, caratterizzati da elevata sensibilità e idoneità per protettori elettronici.
• Tipo di rilevamento dello spostamento differenziale: utilizza la differenza nella piegatura delle strisce bimetalliche sotto calore per attivare un meccanismo differenziale, utilizzato principalmente nei relè termici con protezione mancanza di fase.

Differenze tra connessioni stella e triangolo

La protezione da perdita di fase del relè determina se si è verificato un guasto da perdita di fase monitorando le anomalie di corrente o tensione nel circuito trifase. Per i motori con collegamento a stella (Y), poiché la corrente di linea è uguale alla corrente di fase, i comuni relè termici possono fornire una protezione efficace. Tuttavia, per i motori con collegamento a triangolo (Δ), poiché la corrente di fase non è uguale alla corrente di linea, i normali relè termici potrebbero non funzionare in tempo e devono essere utilizzati relè speciali di protezione mancanza di fase.

Meccanismo di protezione differenziale da mancanza di fase

I relè termici con protezione mancanza fase utilizzano un meccanismo differenziale composto da una piastra guida superiore, una piastra guida inferiore e una leva. Quando una fase viene disconnessa, la lamina bimetallica di quella fase si raffredda e si ripristina, spingendo la piastra guida superiore a spostarsi verso destra, mentre le lamine bimetalliche delle altre due fasi continuano a piegarsi sotto il calore, spingendo la piastra guida inferiore a spostarsi verso sinistra, innescando così l'azione di protezione per azione differenziale.

Schemi di implementazione tecnica per la protezione dalla perdita di fase

Protezione perdita di fase del relè termico

I normali relè termici spingono l'attuatore attraverso la piegatura delle strisce bimetalliche sotto calore, ma il loro effetto di protezione sui motori collegati a triangolo è limitato.

I relè termici differenziali risolvono questo problema attraverso uno speciale design strutturale. Quando si verifica la perdita di fase, la striscia bimetallica sul lato della perdita di fase si raffredda e si ripristina, mentre le altre due fasi continuano a piegarsi sotto il calore, attivando la protezione tramite azione differenziale.

Protezione da perdita di fase con monitoraggio della tensione

Vengono utilizzati tre relè a bassa tensione con tensione di diseccitazione regolabile; le loro bobine sono collegate a stella e il nodo comune è collegato alla linea neutra.

Lo svantaggio è la sensibilità insufficiente. Quando il motore perde una fase, è possibile che venga mantenuta ancora una tensione relativamente elevata, con conseguente protezione ritardata.

Relè elettronico di protezione completa

Integra un microprocessore e una tecnologia di rilevamento avanzata, può monitorare simultaneamente più parametri come corrente e tensione e realizza una protezione a tutto tondo.

Tecnologia dei relè a stato solido (SSR).

I relè a stato solido (SSR) utilizzano dispositivi a semiconduttore per realizzare commutazioni senza contatto e presentano i vantaggi di risposta rapida, lunga durata, assenza di arco e alta frequenza di commutazione. Essi stessi vengono utilizzati principalmente per l'accensione e lo spegnimento, piuttosto che per il rilevamento della perdita di fase. Nelle applicazioni CC ad alta tensione o CA ad alta frequenza, i relè a stato solido possono essere utilizzati come elementi di interruzione rapida in combinazione con moduli di rilevamento elettronici.

Nei sistemi ad alta tensione dei veicoli a nuova energia, relè ad alta tensione e interruttori a stato solido vengono utilizzati per commutare i circuiti di gestione della batteria, precarica, carica e controllo del motore. Va notato che non esiste la tradizionale "perdita di fase" nei sistemi CC ad alta tensione, ma possono comunque verificarsi guasti di mancanza di fase nei motori di azionamento trifase e nelle uscite degli inverter, richiedendo speciali strategie di diagnostica e protezione.

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Sfide e soluzioni nelle applicazioni pratiche

Difficoltà di protezione per motori collegati a triangolo

Le soluzioni includono l'utilizzo di relè di protezione da mancanza di fase dedicati, protezioni complete del motore o la progettazione di circuiti di protezione ausiliari.

Discordanza della tensione di caduta del contattore

L'intervallo di tensione di caduta dei contattori ordinari è compreso tra 0,2U e 0,7U, il che potrebbe causare il guasto della protezione dalla perdita di fase.

Una soluzione più fattibile è quella di adottare una strategia di protezione basata principalmente sulla protezione attuale.

Rischio di guasto del relè

Le misure preventive includono la selezione di prodotti di qualità affidabile, test e manutenzione regolari, progettazione ridondante e l'utilizzo di relè intelligenti con funzioni di autodiagnosi.

Difetti di perdita di fase negli impianti fotovoltaici

I relè possono essere utilizzati per disconnettere il sistema fotovoltaico dalla rete quando si verifica un guasto di rete, ottenendo una protezione rapida.

Guida alla selezione per la protezione da perdita di fase del relè

Selezione in base al tipo di carico

Carichi resistivi, carichi induttivi e carichi capacitivi hanno requisiti diversi per le caratteristiche dei relè.

Corrispondenza di tensione e corrente nominale

Assicurarsi che la potenza nominale del relè sia superiore ai parametri operativi massimi del sistema.

Considerazioni sull'adattabilità ambientale

Fattori ambientali quali temperatura elevata, umidità elevata e vibrazioni influiscono sulla selezione del relè.

Analisi dei requisiti funzionali

Diversi requisiti come protezione di base, monitoraggio intelligente o controllo remoto determinano il tipo di prodotto.

Scenari applicativi tipici della protezione dalla perdita di fase dei relè

Protezione dei motori industriali

Protezione dalla perdita di fase per apparecchiature chiave come pompe dell'acqua, ventilatori e compressori.

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