Qual è il ruolo del relè di sequenza di fase nei sistemi elettrici?

Come il relè di sequenza di fase rileva e previene l’inversione dell’ordine di fase

Principio operativo fondamentale: analisi della rotazione dei fasori di tensione

I relè di sequenza di fase monitorano il senso di rotazione dei fasori di tensione nei sistemi trifase analizzando le relazioni angolari tra le fasi. In sostanza, distinguono l'ordine corretto (ad esempio A-B-C) da quello invertito (ad esempio C-B-A). Quando la rotazione avviene in senso orario, tutto funziona normalmente. Se invece inizia a ruotare in senso antiorario, si tratta di un problema serio, poiché indica un'inversione dell'ordine di fase che richiede un'interruzione immediata. Perché questo è così importante? Secondo l'«Electrical Safety Journal» dello scorso anno, quasi 8 interruzioni su 10 dei motori industriali sono effettivamente causate da problemi legati alla sequenza di fase. Questi relè operano sia con elettromagneti tradizionali sia con tecnologie più moderne a stato solido, campionando i profili di tensione almeno 200 volte per ogni ciclo di alimentazione. Ciò consente di rilevare tempestivamente eventuali anomalie, prima che possano provocare danni concreti.

Logica interna: rilevamento del passaggio per lo zero, confronto degli angoli di fase e uscite con blocco

La logica interna del relè esegue tre fasi coordinate:

1. Rilevamento del passaggio per lo zero : registra con precisione l’istante di transizione di ciascuna fase da tensione negativa a positiva.
2. Confronto dell’angolo di fase : calcola i ritardi temporali tra le fasi successive per identificare il senso di rotazione. Ad esempio:

   Coppia di fasi	Ritardo della sequenza normale	Ritardo della sequenza inversa
   A verso B	5,5 ms	10,5 ms
   B a C	5,5 ms	−10,5 ms

3. Uscite di blocco : Emette un segnale di interruzione entro 15 ms se i ritardi misurati si discostano di oltre ±2 ms dai valori attesi. L’uscita rimane bloccata fino al ripristino manuale, impedendo il riavviamento automatico in condizioni non sicure e proteggendo l’equipaggiamento da sollecitazioni sui cuscinetti, cavitazione della pompa o carenza di olio nel compressore.

Protezione critica contro danni al motore e interruzioni del processo

Rischi di rotazione inversa nei motori asincroni, nelle pompe e nei compressori

Quando le fasi di alimentazione vengono invertite, i motori asincroni, le pompe e i compressori iniziano a ruotare in senso inverso: un fenomeno che si verifica piuttosto frequentemente durante interventi di manutenzione ordinaria, quando le aziende di distribuzione elettrica commutano le fonti di alimentazione o in presenza di problemi sulla rete elettrica. Le conseguenze sono gravemente dannose dal punto di vista meccanico. I cuscinetti tendono a bloccarsi perché non sono progettati per sopportare questo tipo di sollecitazione. Gli impeller delle pompe subiscono un’usura accelerata a causa degli effetti di cavitazione, mentre le guarnizioni cedono completamente poiché le differenze di pressione non corrispondono ai valori previsti. Nel caso specifico delle pompe, il flusso inverso comporta il funzionamento a secco e l’insorgenza di improvvisi colpi d’ariete. Anche i compressori risentono di problemi specifici: perdono lubrificazione e la sincronizzazione delle valvole viene compromessa. I motori che continuano a funzionare in inversione di marcia raggiungono temperature più elevate del 15–20%, poiché le ventole di raffreddamento non operano più correttamente, accelerando così il degrado dell’isolamento. Secondo rapporti del settore, tali anomalie di fase sono responsabili di circa un quarto di tutti i guasti ai motori nei sistemi che gestiscono fluidi. Ecco un dato interessante: anche uno squilibrio di tensione minimo, pari soltanto al 2%, può causare gravi sollecitazioni meccaniche entro poche ore, qualora non venga rilevato tempestivamente.

Impatto nella realtà: studio di caso sull'arresto della linea di assemblaggio automobilistico

Secondo rapporti del settore, lo scorso anno un grande stabilimento automobilistico ha subito una perdita di circa 740.000 dollari a causa di un problema di inversione di fase non rilevato durante i lavori sulla propria cabina elettrica. Le catene di trasporto hanno iniziato a muoversi in senso inverso, causando svariati problemi ai robot saldatore e rompendo effettivamente diverse catene di trasmissione. Questo incidente ha provocato un fermo operativo di 11 ore, impedendo la produzione di circa 2.300 autovetture. Analizzando quanto accaduto, gli esperti ritengono che l’installazione di un relè di sequenza di fase avrebbe consentito di interrompere l’alimentazione elettrica in soli 0,1 secondi, evitando il peggioramento della situazione. Tali relè possono essere collegati a sistemi PLC, in modo che le macchine rimangano disattivate fino al completo controllo e alla verifica positiva di tutti i parametri. Questa semplice soluzione avrebbe permesso di risparmiare ingenti somme, poiché ogni ora di fermo produttivo costa mediamente circa 24.000 dollari nel settore automobilistico. Inoltre, previene anche altri problemi, come il surriscaldamento e la bruciatura degli avvolgimenti dei motori dovuti a un funzionamento prolungato in senso inverso, nonché situazioni pericolose in cui pompe idrauliche potrebbero esplodere.

La combinazione della verifica della sequenza di fase con la protezione basata sulla corrente riduce i costi di sostituzione del motore del 37% nei processi critici per la missione.

Integrazione del relè di sequenza di fase nei moderni sistemi di protezione e controllo

Coordinamento con interruttori automatici, PLC e schemi di riacchiusura automatica

Quando i relè di sequenza di fase rilevano un ordine di fase errato, operano in sinergia con gli interruttori automatici per interrompere l’alimentazione quasi istantaneamente, prevenendo danni agli impianti prima che si verifichino. Questi dispositivi si collegano ai sistemi PLC tramite moduli di ingresso/uscita digitali, consentendo azioni automatiche come l’arresto graduale dei motori, la chiusura di valvole collegate tra loro mediante interblocco o l’escalation degli allarmi lungo le linee di produzione. Nei casi di richiusura automatica, i relè fungono essenzialmente da porte di sicurezza che impediscono qualsiasi tentativo di ripristino dell’alimentazione fino a quando non sia stata confermata la corretta sequenza di fase. Questo tipo di coordinamento garantisce il regolare funzionamento nei reparti produttivi, evitando quelle dannose rotazioni inverse in grado di compromettere le pompe industriali e mantenendo i compressori pronti all’uso quando necessario, grazie a procedure di riavvio accuratamente temporizzate che prevengono guasti improvvisi durante operazioni critiche.

Integrazione SCADA e di sottostazioni digitali per il monitoraggio remoto e la segnalazione di allarmi

Le sottostazioni digitali si basano su relè di sequenza di fase per inviare in tempo reale informazioni sui fasori di tensione, utilizzando messaggi IEC 61850 GOOSE e SV direttamente ai sistemi SCADA. Quando si verifica un problema, gli operatori ricevono immediatamente avvisi accompagnati da rappresentazioni grafiche chiare degli angoli di fase, consentendo loro di intervenire tempestivamente prima che i problemi si amplifichino in guasti più gravi. Il sistema supporta inoltre la manutenzione predittiva: se emergono tendenze di squilibrio di tensione o se le apparecchiature si avvicinano ripetutamente alla soglia di intervento, ciò attiva controlli programmati in anticipo rispetto al calendario previsto. Per strutture critiche come gli impianti di trattamento delle acque e gli ospedali, dove l'affidabilità dell'alimentazione elettrica è fondamentale, il monitoraggio remoto riduce la frequenza con cui il personale deve effettuare ispezioni fisiche sulle apparecchiature. Allo stesso tempo, tale approccio garantisce la conformità agli standard NFPA 70E in materia di sicurezza contro gli archi elettrici, poiché tutte queste attività generano una traccia auditabile consultabile in qualsiasi momento.

Conformità, norme e applicazione nelle infrastrutture critiche

Gli standard internazionali di sicurezza, quali la norma IEC 60204-1 per gli impianti elettrici delle macchine e l’articolo 430.83(A)(2) del National Electrical Code (NEC) riguardante i circuiti dei motori, richiedono effettivamente questi relè di sequenza di fase, poiché monitorano le fasi per impedire rotazioni inverse pericolose in punti critici. Si pensi agli ospedali, che ne necessitano affinché ventilatori vitali e ventole di raffreddamento dei gruppi elettrogeni ruotino nel senso corretto. Anche i data center li installano per garantire il corretto funzionamento dei sistemi di acqua refrigerata. Analogamente, le centrali elettriche li utilizzano su componenti come le pompe ausiliarie di alimentazione dell’acqua e i gruppi elettrogeni diesel di emergenza. Quando le strutture non rispettano tali norme, i disastri si verificano rapidamente. Si immagini cosa accadrebbe se le pompe antincendio iniziassero a ruotare in senso inverso o se i gruppi frigoriferi nei centri dati smettessero improvvisamente di funzionare: intere operazioni potrebbero arrestarsi in pochi minuti. È per questo motivo che i regolamenti prescrivono la verifica annuale di tali relè, conformemente alle linee guida della norma NFPA 70E. Le prove verificano la loro accuratezza, il tempo di risposta e la corretta funzionalità del blocco (latching). Ciò contribuisce a mantenere un’infrastruttura resiliente, garantendo al contempo la conformità a tutti quegli importanti standard.