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Comportamento termico di un quadro elettrico BT ( bassa tensione )

Un quadro elettrico è un sistema costituito da un fluido (l’aria), e dei corpi solidi nei quali il passaggio di corrente elettrica si accompagna a perdite di energie che provocano un aumento di temperatura.

L’evoluzione verso l’equilibrio termico avviene per trasferimento di calore delle parti attive ( apparecchi, conduttori… ) dove esso è generato dalle parti in contatto con l’esterno che la trasmettono a loro volta all’ambiente circostante.

Gli scambi termici permettono di descrivere il comportamento di un sistema qualsiasi, tra cui il sistema quadro elettrico. Essi comportano 3 tipi di fenomeni diversi:

  • Conduzione
  • Irraggiamento
  • Convenzione

La Conduzione corrisponde ad un trasferimento di calore tra corpi solidi, l’irraggiamento è il trasferimento di energia per mezzo di onde elettromagnetiche e la convezione che è caratteristica dei corpi fluidi ( liquidi o gas ) e consiste in un movimento interno delle particelle.

Negli ultimi anni si sta assistendo ad un notevole aumento della potenza richiesta dai sistemi di distribuzione, dei grossi stabilimenti industriali e in generale di tutte le infrastrutture che richiedono energia elettrica ( navi da crociera, aeroporti, porti, basi militari, centri commerciali, ecc ) tale esigenza è accompagnata dalla necessità di garantire la massima continuità di esercizio.

Nel contempo crescono i vincoli ambientali perchè spesso si presenta la difficoltà di usufruire di nuovi e più ampi locali per contenere le apparecchiature elettriche. I locali e gli armadi devono essere in grado di adeguarsi ad eventuali ampliamenti o variazioni tipologiche dei carichi.

Il controllo della temperatura è una necessità che deve essere presa in considerazione anche nella progettazione dei quadri elettrici. Il controllo della temperatura nei quadri elettrici è uno dei più importanti attori nella manutenzione dei beni industriali.

Una mancanza di una soluzione termica adeguata comporta diversi rischi e riguardano l’inferiore durata dei componenti, le ridotte performance di installazioni, fermi di produzione e il rischio di incendio.

La durata dei componenti stessi varia in funzione della temperatura e dell’umidità presenti all’interno del quadro. I valori ideali di temperatura e umidità variano dai 15 ai 35°C e dal 30 al 90 % per UR.

Esistono molteplici soluzioni per mantenere la temperatura all’interno del quadro entro i limiti di temperatura, i rimedi differiscono a seconda delle condizioni ambientali, dalla natura dei componenti, ecc. In alcuni casi è sufficiente sovradimensionare il quadro elettrico, utilizzare un sistema di ventilazione forzato, scambiatori aria – aria.

Nel caso le condizioni ambientali siano particolarmente difficili in cui la temperatura dell’ambiente esterno sia particolarmente elevata dovranno essere usati scambiarori aria-acqua o condizionatori.

Per questi motivi è molto importante effettuare un controllo termografico degli apparati e quadri elettrici. I controlli termografici sono effettuati quando gli impianti elettrici sono in esercizio e possibilmente quando sono sottoposti ad un carico par al 80% del carico nominale.

Si possono in questo modo osservare tutte le parti che presentano delle anomalie termiche causate da usura, sovraccarichi, allentamento dei morsetti, ecc.

Una temperatura dell’armadio e dei suoi componenti corretta aumenta la durata media del quadro elettrico e riduce i fermi di produzione. La mancanza del controllo della temperatura riduce la vita dei componenti elettrici ed elettronici e ne pregiudicano l’affidabilità.

La vita media dei componenti elettrici ed elettronici è notevolmente ridotta se la temperatura e l’umidità all’interno del quadro sforano quelle previste.

Per esempio le batterie dovrebbero essere installate in un ambiente con una temperatura tra i 15 e i 25°C. Una temperatura fredda aumenta i tempi di carica e scarica mentre con una temperatura più calda si ha l’evaporazione degli elettroliti presenti nell’acqua formando fenomeni di ossidazione nei pannelli.

Il calore che si accumula nei quadri moltiplica il rischio di interruzioni di energia causati, ad esempio, dal distacco automatico dei magnetotermici che si surriscaldano non per sovraccarico ma per l’alta temperatura all’interno del quadro.

La mancanza di controllo della temperatura può causare ritardi produttivi nei siti industriali.

Un’ altro esempio di problemi causati dalla sovratemperatura riguarda le ventole di raffreddamento dei componenti elettronici. La vita di un ventilatore assiale, comunemente utilizzato in questi casi, è notevolmente ridotta quando la temperatura all’interno del quadro aumenta sensibilmente.

Ad esempio un ventilatore assiale a 24 V DC che può lavorare ad un range di temperatura -20°C + 70°C:

  • durata a 20°C : 50000 ore
  • durata a 60°C : 20000 ore
  • ( fonte Schneider Eletric Italia)

 

SCAMBI NEL CASO DI UN QUADRO ELETTRICO

Nello schema sottostante sono rappresentati gli elementi che costituiscono il sistema termico dell’ armadio elettrico: aria ambiente, involucro, aria interna, e le differenti sorgenti di calore.

Questa descrizione dello statoi termico del quadro, mostra che tutti i fenomeni di scambio ( convezione, irraggiamento, conduzione ) devono essere considerati e sono fortemente interconnessi. 

armadi_elettrici2

La temperatura dell’aria interna è il risultato:

  1. degli scambi per convezione tra aria interna e le superfici degli apparecchi, dei conduttori e delle pareti
  2. del calore trasportato dai movimenti convettivi dell’aria

 

Il calore sviluppato per effetto joule negli apparecchi è scambiato:

  1. per convezione tra la loro superficie di scambio e l’aria interna 
  2. per conduzione con le sbarre e i cavi
  3. per irraggiamento con le pareti dell’involucro e le superfici degli altri apparecchi

I fenomeni più importanti che intervengono sul comportamento dell’assieme sono i fenomeni di convezione.

 

FATTORE DI CONTEMPORANEITA’ NEI QUADRI ELETTRICI

Da quanto detto finora risulta facilmente comprensibile che bisogna considerare il fattore di contemporaneità dell’armadio per poter valutare gli aspetti sovratemperatura. Il fattore di contemporaneità tiene conto di quanti circuiti sono contemporaneamente percorsi da corrente all’interno del quadro elettrico.

Definizione di Fattore Nominale di Contemporaneità da norma CEI 17-13/1 :

Il fattore nominale di contemporaneità di una apparecchiatura o di parte di essa avente diversi circuiti principali ( per esempio uno scomparto o una frazione di scomparto), è il rapporto tra il valore massimo della somma, in un momento qualsiasi, delle correnti effettive che passano in tutti i circuiti principali considerati e la somma delle correnti nominali di tutti i circuiti principali dell’apparecchiatura o della parte considerata dell’apparecchiatura.

Quando il costruttore assegna un fattore nominale di contemporaneità, questo fattore deve essere usato per la prova di sovratemperatura.