Test di iniezione della corrente primaria: sfide e soluzioni

Questo articolo è un estratto modificato di un documento presentato da Robert Probst di Megger alla PowerTest Conference 2017 organizzata da NETA.

Il personale sul campo deve affrontare una serie di sfide difficili durante l'esecuzione dei test di iniezione della corrente primaria. Queste includono: 

requisiti di potenza in ingresso, impedenza del circuito del test, requisiti di corrente elevata, oggetti sottoposti a test ad alta impedenza, impostazione delle correnti target, decadimento della corrente, offset CC, confronto dei tempi di scatto misurati con curve di corrente nel tempo, memorizzazione e trend dei dati, generazione di report e dimensioni e peso dell'apparecchiatura per test. Questo articolo esamina ciascuna di queste sfide e spiega come vengono affrontate nelle moderne apparecchiature per test.

Requisiti di potenza in ingresso

Purtroppo, gli strumenti di iniezione della corrente primaria non sono magici. Anche i moderni convertitori di potenza a stato solido necessitano ancora di un trasformatore step-down di una certa dimensione per generare correnti elevate a tensioni extra-basse sul lato secondario. Pertanto, la potenza in uscita è uguale alla potenza in ingresso meno le perdite. 

Disporre delle corrette capacità di corrente e tensione in ingresso di rete è molto importante per ottenere la massima uscita dell'apparecchiatura per test per testare gli interruttori automatici ad alta potenza. Se l'interruttore automatico a bassa tensione supera le capacità dell'apparecchiatura per test, potrebbe essere necessario eseguire un test con impostazioni di scatto inferiori, ma ciò non ne conferma necessariamente il corretto funzionamento. I moderni strumenti accettano un'ampia gamma di alimentatori di rete in ingresso, offrendo la possibilità di lavorare su diverse tensioni di alimentazione, in genere 100 - 240 V, per ottenere più potenza e maggiore flessibilità.

Impedenza del circuito del test

In termini di teoria dei circuiti fondamentali, i set di test di iniezione della corrente primaria si comportano come una sorgente di corrente. Nessuna sorgente di corrente reale è ideale, quindi mentre il modello teorico di una sorgente di corrente ideale fornirebbe una potenza infinita (corrente costante a una tensione di circuito aperto infinita), le sorgenti di corrente reali presentano limitazioni definite. Qualsiasi impedenza nel circuito del test causa una caduta di tensione sui terminali di uscita della sorgente di corrente. Pertanto l'impedenza, e quindi la caduta di tensione, grava sullo strumento.

Se il carico diventa troppo elevato, la corrente richiesta non può più essere erogata. Pertanto, è molto importante che il personale sul campo ottimizzi la configurazione, in quanto una configurazione scadente può determinare una riduzione drastica delle capacità di uscita di un set di test di iniezione della corrente primaria. 

Idealmente, l'unica impedenza che grava sull'uscita dello strumento sarebbe la resistenza di contatto del polo dell'interruttore automatico stesso. Tuttavia, ciò non è realizzabile nel mondo reale. Vengono inevitabilmente introdotte ulteriori impedenze e queste causano ulteriori cadute di tensione. Queste impedenze derivano principalmente dalla resistenza e dall'induttanza dei puntali per test e dalle resistenze di transizione nel punto di collegamento dei puntali allo strumento e all'interruttore automatico sottoposto a test. 

Come risolvere questi problemi? Per ridurre al minimo le resistenze di transizione, i bulloni devono essere sufficientemente serrati alla coppia giusta e le alette devono essere crimpate correttamente. Per ridurre al minimo la resistenza del puntale, gli utenti possono aumentare l'area della sezione trasversale dei puntali utilizzando cavi più pesanti o collegando più cavi in parallelo. Inoltre, i puntali devono essere mantenuti più corti possibile. L'induttanza del loop del circuito del test è correlata alla sua geometria ed è proporzionale all'area circoscritta dai puntali per test e dall'interruttore automatico sottoposto a test. È fondamentale mantenere quest'area il più piccola possibile. La torsione dei puntali è un metodo comprovato per ridurre drasticamente l'induttanza del loop.  

Requisiti di corrente elevati e oggetti sottoposti a test ad alta impedenza

Le correnti nominali continue degli interruttori automatici a bassa tensione variano da meno di 10 A per interruttori automatici miniaturizzati (MCB) fino a 8000 A su interruttori automatici per guasto ad arco (AFCB) di grandi dimensioni. Nel quadro di distribuzione comune, tuttavia, la maggior parte degli interruttori automatici sarà costituita da interruttori automatici scatolati (MCCB) con un valore nominale massimo di 200 A, soprattutto nelle centrali elettronucleari, con interruttori automatici di derivazione e alimentazione con valori nominali più elevati. Non è disponibile un set di test in grado di coprire l'intera gamma di interruttori. 

I moderni strumenti per iniezione della corrente primaria risolvono questo problema con un approccio modulare. È possibile sincronizzare più set di test in un gruppo con un funzionamento combinato in modalità master-slave. Il gruppo può essere configurato in parallelo per una corrente più elevata o in serie per una tensione di conformità più elevata. Le sorgenti modulari aumentano l'efficienza dei test per l'utente poiché diversi tecnici possono lavorare in modo indipendente su quadri di distribuzione diversi, essendo in grado di testare la maggior parte degli interruttori automatici nel quadro con un'unità portatile più piccola. È sufficiente riunire queste unità in un gruppo quando si testano gli interruttori di derivazione e alimentazione con valori nominali più elevati.

L'opzione per configurare un gruppo in serie consente inoltre di testare oggetti di test ad alta impedenza in cui è necessaria una tensione di conformità elevata per azionare la corrente di test richiesta. La Figura 1 mostra un gruppo con due moderni strumenti di iniezione della corrente primaria configurati in parallelo per produrre una corrente sufficiente per un interruttore automatico di grandi dimensioni.

Figura 1 – Gruppo di due strumenti per iniezione della corrente primaria in parallelo

Impostazione delle correnti di test target

L'inserimento di una corrente di test specifica su un set di test per iniezione della corrente primaria classico è un processo altamente manuale e dipende in qualche modo dal livello di esperienza dell'utente. In genere include come minimo la programmazione dello strumento per la modalità a impulsi e quindi la regolazione manuale del trasformatore automatico variabile in incrementi fino al raggiungimento della corrente target. Ogni volta che l'oggetto sottoposto a test cambia, anche l'impedenza del circuito del test cambia; l'utente deve quindi ripetere la procedura. 

I moderni strumenti di iniezione della corrente primaria evitano qualsiasi forma di impulsi incoerenti utilizzando schemi di controllo basati su software insieme all'uscita regolata del convertitore di potenza a stato solido. Prima di avviare un test, il software inietta una piccola frazione della corrente di test richiesta e misura l'impedenza del circuito di test. In base a queste misurazioni, gli algoritmi integrati calcolano le impostazioni esatte per i circuiti di comando nel convertitore di potenza. In questo modo, l'uscita effettiva della corrente di test viene portata al 100% della corrente richiesta immediatamente dopo l'accensione.

Decadimento della corrente 

Durante il test, tutti i componenti del circuito del test, in particolare i puntali e il polo dell'interruttore automatico sottoposto a test, si riscaldano a seguito delle correnti elevate applicate. Ciò significa che senza compensazione, la corrente di test diminuisce come mostrato nella Figura 2.

Figura 2 – Decadimento della corrente

Un set di test per iniezione della corrente primaria classico deve essere regolato manualmente dall'utente per compensare tale condizione; in caso contrario, i risultati ottenuti potrebbero non essere validi. Come illustrato nella Figura 3, i moderni strumenti per iniezione della corrente primaria incorporano un loop di feedback continuo che regola automaticamente la corrente e la mantiene stabile al valore richiesto. Non è richiesta alcuna correzione manuale.

Figura 3 – Regolazione automatica della corrente

Offset CC

Le prestazioni istantanee di un interruttore automatico sono sensibili alla presenza di asimmetrie, che possono causare lo scatto dell'interruttore automatico ad ampiezze di corrente errate e quindi dopo tempi errati, producendo risultati di test errati. Sebbene la riduzione al minimo dell'offset CC sia estremamente complicata e dispendiosa in termini di tempo su un classico set di test per iniezione della corrente primaria, i moderni strumenti per iniezione della corrente primaria non richiedono l'intervento dell'utente.

Il software risolve automaticamente il problema nello stesso modo in cui gestisce il decadimento della corrente e l'impostazione della corrente di test target (vedere sopra). Prima di avviare il test, viene iniettata una piccola frazione della corrente richiesta per misurare l'impedenza del circuito di test. L'accensione del convertitore di potenza a stato solido viene quindi temporizzata rispetto all'angolo di fase corretto, in modo da eliminare qualsiasi offset CC.

Confronto dei tempi di scatto con le curve tempo-corrente (TCC)

I produttori tendono a comprimere tutte le informazioni sulle caratteristiche di tempo-corrente di un interruttore automatico in un unico grafico, generalmente fornito nel manuale di manutenzione, corredato da varie note. 

La Figura 4 illustra un esempio.

Figure 4 – TCC per Amptector II Eaton (precedentemente Cutler-Hammer)

 
Se un utente con un set di test classico desidera testare un Amptector II, questa curva specifica deve essere prontamente disponibile in formato cartaceo o elettronico come versione PDF. Quindi, i tempi di scatto misurati devono essere confrontati manualmente con la curva per determinare se l'interruttore automatico ha superato o meno il test.

I moderni strumenti per iniezione della corrente primaria sono dotati di librerie software espandibili integrate con migliaia di TCC digitalizzati. Come illustrato nella Figura 5, le curve digitali consentono un grafico in tempo reale dei risultati dei test, eliminando quindi la necessità di confrontare manualmente i tempi di scatto con una copia cartacea o una versione PDF. L'eventuale rientro dei tempi di scatto nei limiti di superamento/non superamento viene determinato automaticamente.

Figura 5 – Libreria di curve e TCC digitali con risultati dei test in tempo reale e indicazione di superamento/non superamento

Le TCC digitali offrono anche la possibilità di definire i punti di regolazione della TCC in base alle impostazioni effettive sull'unità di scatto dell'interruttore automatico. Il software regola quindi la curva con precisione in base alla configurazione che l'utente sta effettivamente testando. Vedere le Figure 6 e 7.

Figura 6 – TCC digitale regolata tramite software in base alle impostazioni a breve termine effettive sull'unità di scatto AFCB; banda = 0,2 s, rilevamento a breve termine a valore nominale del sensore 2,0x, ingresso i²t

Figura 7 – TCC digitale regolata tramite software in base alle impostazioni a breve termine effettive sull'unità di scatto AFCB; banda = 0,3 s, rilevamento a breve termine a valore nominale del sensore 2,5x, uscita i²t

Generazione di report, memorizzazione e trend dei dati

Dopo aver completato il test e aver confrontato con successo i risultati del test con la curva, la compilazione di un report di test è la fase più lunga. I moderni strumenti per iniezione della corrente primaria sono dotati di una funzione di generazione automatica di report che consente all'utente di salvare e stampare sul campo un report completo del test, subito dopo l'esecuzione. Questo report include la TCC dell'interruttore automatico, tutti i risultati del test in formato tabulare, con indicazione grafica rispetto alla curva, le informazioni sull'intestazione e, se registrati, ulteriori dati di test come la resistenza di contatto o la resistenza di isolamento. La Figura 8 illustra un esempio.

Figura 8 – Report del test generato automaticamente subito dopo il completamento del test.

I dati dei test sono memorizzati in un formato nativo e possono essere esportati in un database per l'analisi delle tendenze future degli stessi modelli di interruttori automatici o simili. 

Conclusione

La maggior parte delle sfide discusse in questo articolo viene affrontata in modo efficace dall'ultima generazione di set di test per iniezione della corrente primaria. La tecnologia del convertitore di potenza a stato solido consente di produrre apparecchiature più piccole e leggere, ma con capacità di uscita superiori. L'interfaccia grafica utente basata su software, l'uscita regolata e la libreria di curve degli interruttori automatici espandibile integrata introducono nuovi strumenti che rendono i test primari più semplici, rapidi, coerenti e ripetibili, senza differenze da un operatore all'altro. Il software fornisce inoltre funzioni per la generazione automatica di report e l'integrazione dei dati dei test nei sistemi di database di gestione e manutenzione delle risorse.

Informazioni su NETA

NETA è un'organizzazione di sviluppo di standard accreditati ANSI che crea e mantiene gli standard sui test elettrici per apparecchiature e impianti di alimentazione elettrica. NETA è un'associazione di aziende leader nel settore dei test elettrici, composta da persone lungimiranti impegnate nel progresso degli standard del settore per l'installazione e la manutenzione degli impianti di alimentazione, al fine di garantire il massimo livello di affidabilità e sicurezza.