Trasformatore di corrente - Current transformer
Un trasformatore di corrente ( CT ) è un tipo di trasformatore utilizzato per ridurre o moltiplicare una corrente alternata (CA). Produce una corrente nel suo secondario che è proporzionale alla corrente nel suo primario.
I trasformatori di corrente, insieme ai trasformatori di tensione o potenziale, sono trasformatori di misura . I trasformatori di misura adattano i grandi valori di tensione o corrente a valori piccoli e standardizzati facili da gestire per strumenti di misura e relè di protezione . I trasformatori di misura isolano i circuiti di misura o protezione dall'alta tensione del sistema primario. Un trasformatore di corrente fornisce una corrente secondaria che è accuratamente proporzionale alla corrente che scorre nel suo primario. Il trasformatore di corrente presenta un carico trascurabile al circuito primario.
I trasformatori di corrente sono le unità di rilevamento della corrente del sistema di alimentazione e vengono utilizzati nelle stazioni di generazione, nelle sottostazioni elettriche e nella distribuzione di energia elettrica industriale e commerciale.
Funzione
Un trasformatore di corrente ha un avvolgimento primario, un nucleo e un avvolgimento secondario, sebbene alcuni trasformatori, inclusi i trasformatori di corrente, utilizzino un nucleo in aria. Sebbene i principi fisici siano gli stessi, i dettagli di un trasformatore di "corrente" rispetto a un trasformatore di "tensione" differiranno a causa dei diversi requisiti dell'applicazione. Un trasformatore di corrente è progettato per mantenere un rapporto accurato tra le correnti nei suoi circuiti primari e secondari su un intervallo definito.
La corrente alternata nel primario produce un campo magnetico alternato nel nucleo, che quindi induce una corrente alternata nel secondario. Il circuito primario è in gran parte inalterato dall'inserimento del TA. Trasformatori di corrente accurati richiedono un accoppiamento stretto tra primario e secondario per garantire che la corrente secondaria sia proporzionale alla corrente primaria su un ampio intervallo di corrente. La corrente nel secondario è la corrente nel primario (assumendo un unico giro primario) diviso per il numero di giri del secondario. Nell'illustrazione a destra, "I" è la corrente nel primario, "B" è il campo magnetico, "N" è il numero di spire sul secondario e "A" è un amperometro CA.
I trasformatori di corrente sono tipicamente costituiti da un nucleo ad anello in acciaio al silicio avvolto con molte spire di filo di rame come mostrato nell'illustrazione a destra. Il conduttore che trasporta la corrente primaria viene fatto passare attraverso l'anello. Il primario del TC, quindi, consiste in un unico "turno". L '"avvolgimento" primario può essere una parte permanente del trasformatore di corrente, ovvero una barra di rame pesante per trasportare la corrente attraverso il nucleo. Sono comuni anche i trasformatori di corrente a finestra, che possono avere cavi di circuito che passano attraverso il centro di un'apertura nel nucleo per fornire un avvolgimento primario a giro singolo. Per favorire la precisione, il conduttore primario dovrebbe essere centrato nell'apertura.
I TA sono specificati dal loro rapporto corrente dal primario al secondario. La corrente secondaria nominale è normalmente standardizzata a 1 o 5 ampere. Ad esempio, un avvolgimento secondario da 4000: 5 TA fornirà una corrente di uscita di 5 ampere quando la corrente dell'avvolgimento primario è di 4000 ampere. Questo rapporto può essere utilizzato anche per trovare l'impedenza o la tensione su un lato del trasformatore, dato il valore appropriato sull'altro lato. Per il 4000: 5 CT, l'impedenza secondario può essere trovato come Z S = NZ P = 800Z P , e la tensione secondaria può essere trovato come V S = NV P = 800V P . In alcuni casi, l'impedenza secondario viene riferisce al lato primario, e si trova come Z S '= N 2 Z P . Il riferimento all'impedenza viene effettuato semplicemente moltiplicando il valore dell'impedenza secondaria iniziale per il rapporto di corrente. L'avvolgimento secondario di un TA può avere prese per fornire una gamma di rapporti, cinque in comune.
Le forme e le dimensioni dei trasformatori di corrente variano a seconda dell'utente finale o del produttore di dispositivi di commutazione. I trasformatori di corrente di misura a rapporto singolo a bassa tensione sono di tipo ad anello o con involucro stampato in plastica.
I trasformatori di corrente split-core hanno un nucleo in due parti o un nucleo con una sezione rimovibile. Ciò consente di posizionare il trasformatore attorno a un conduttore senza doverlo scollegare prima. I trasformatori di corrente split-core sono generalmente utilizzati in strumenti di misura a bassa corrente, spesso portatili, a batteria e portatili (vedere l'illustrazione in basso a destra).
Uso
I trasformatori di corrente sono ampiamente utilizzati per misurare la corrente e monitorare il funzionamento della rete elettrica . Insieme ai cavi di tensione, i TA di livello economico guidano il contatore di watt / ora dell'utilità elettrica su molte forniture commerciali e industriali più grandi.
I trasformatori di corrente ad alta tensione sono montati su isolatori in porcellana o polimero per isolarli da terra. Alcune configurazioni del CT scivolano attorno alla boccola di un trasformatore ad alta tensione o di un interruttore automatico , che centra automaticamente il conduttore all'interno della finestra del CT.
I trasformatori di corrente possono essere montati sui cavi di bassa o alta tensione di un trasformatore di potenza. A volte una sezione di una sbarra collettrice può essere rimossa per sostituire un trasformatore di corrente.
Spesso, più CT vengono installati come uno "stack" per vari usi. Ad esempio, i dispositivi di protezione e la misurazione dei ricavi possono utilizzare TA separati per fornire l'isolamento tra i circuiti di misurazione e di protezione e consentono di utilizzare trasformatori di corrente con caratteristiche diverse (precisione, prestazioni di sovraccarico) per i dispositivi.
L'impedenza del carico (carico) non deve superare il valore massimo specificato per evitare che la tensione secondaria superi i limiti per il trasformatore di corrente. La corrente nominale primaria di un trasformatore di corrente non deve essere superata o il nucleo può entrare nella sua regione non lineare e alla fine saturarsi . Ciò si verificherebbe verso la fine della prima metà di ciascuna metà (positiva e negativa) dell'onda sinusoidale CA nel primario e comprometterebbe l'accuratezza.
Sicurezza
I trasformatori di corrente vengono spesso utilizzati per monitorare correnti elevate o correnti ad alta tensione. Gli standard tecnici e le pratiche di progettazione vengono utilizzati per garantire la sicurezza degli impianti che utilizzano trasformatori di corrente.
Il secondario di un trasformatore di corrente non deve essere scollegato dal suo carico mentre la corrente è nel primario, poiché il secondario tenterà di continuare a guidare la corrente in un'impedenza infinita effettiva fino alla sua tensione di rottura dell'isolamento e quindi compromettere la sicurezza dell'operatore. Per alcuni trasformatori di corrente, questa tensione può raggiungere diversi kilovolt e può causare archi elettrici . Il superamento della tensione secondaria può anche degradare la precisione del trasformatore o distruggerlo. Eccitare un trasformatore di corrente con un secondario a circuito aperto equivale a energizzare un trasformatore di tensione (tipo normale) con un secondario in cortocircuito. Nel primo caso il secondario cerca di produrre una tensione infinita e nel secondo caso il secondario cerca di produrre una corrente infinita. Entrambi gli scenari possono essere pericolosi e danneggiare il trasformatore.
Precisione
La precisione di una TC è influenzata da una serie di fattori, tra cui:
- Onere
- Classe di carico / classe di saturazione
- Fattore di valutazione
- Caricare
- Campi elettromagnetici esterni
- Temperatura
- Configurazione fisica
- Il rubinetto selezionato, per TA multi-rapporto
- Cambio di fase
- Accoppiamento capacitivo tra primario e secondario
- Resistenza primaria e secondaria
- Corrente di magnetizzazione del nucleo
Le classi di precisione per vari tipi di misurazione e con carichi standard nel circuito secondario (carichi) sono definite nella IEC 61869-1 come classi 0.1, 0.2s, 0.2, 0.5, 0.5s, 1 e 3. La designazione della classe è una misura approssimativa della precisione del CT. L'errore di rapporto (corrente primaria / secondaria) di un TA di classe 1 è dell'1% alla corrente nominale; l'errore di rapporto di un TA di classe 0,5 è pari o inferiore allo 0,5%. Anche gli errori di fase sono importanti, specialmente nei circuiti di misura della potenza. Ogni classe ha un errore di fase massimo consentito per un'impedenza di carico specificata.
I trasformatori di corrente utilizzati per i relè di protezione hanno anche requisiti di precisione per correnti di sovraccarico superiori al valore nominale normale per garantire prestazioni accurate dei relè durante i guasti del sistema. Un CT con un valore nominale di 2,5 L400 specifica con un'uscita dal suo avvolgimento secondario di venti volte la sua corrente secondaria nominale (solitamente 5 A × 20 = 100 A ) e 400 V (caduta IZ) la sua precisione di uscita sarà entro il 2,5 percento.
Onere
Il carico secondario di un trasformatore di corrente è definito "carico" per distinguerlo dal carico primario.
Il carico in una rete elettrica di misura CT è in gran parte l' impedenza resistiva presentata al suo avvolgimento secondario. I valori nominali di carico tipici per i TA IEC sono 1,5 VA , 3 VA, 5 VA, 10 VA, 15 VA, 20 VA, 30 VA, 45 VA e 60 VA. Le classificazioni di carico ANSI / IEEE sono B-0.1, B-0.2, B-0.5, B-1.0, B-2.0 e B-4.0. Ciò significa che un CT con un carico nominale di B-0,2 manterrà la precisione dichiarata fino a 0,2 Ω sul circuito secondario. Questi diagrammi delle specifiche mostrano parallelogrammi di precisione su una griglia che incorpora scale di errore di ampiezza e angolo di fase al carico nominale del CT. Gli elementi che contribuiscono al carico di un circuito di misurazione della corrente sono interruttori, contatori e conduttori intermedi . La causa più comune di un eccesso di impedenza di carico è il conduttore tra lo strumento e il TA. Quando i contatori delle sottostazioni si trovano lontano dagli armadi dei contatori, la lunghezza eccessiva del cavo crea una grande resistenza. Questo problema può essere ridotto utilizzando cavi più spessi e TA con correnti secondarie inferiori (1 A), entrambi i quali produrranno una minore caduta di tensione tra il TA e i suoi dispositivi di misurazione.
Tensione di saturazione del nucleo del punto di ginocchio
La tensione del punto di ginocchio di un trasformatore di corrente è l'ampiezza della tensione secondaria al di sopra della quale la corrente di uscita cessa di seguire linearmente la corrente di ingresso entro la precisione dichiarata. Durante il test, se viene applicata una tensione ai terminali secondari, la corrente di magnetizzazione aumenterà in proporzione alla tensione applicata, fino a raggiungere il punto di curvatura. Il punto di ginocchio è definito come la tensione alla quale un aumento del 10% della tensione applicata aumenta la corrente di magnetizzazione del 50%. Per tensioni maggiori del punto di ginocchio, la corrente di magnetizzazione aumenta considerevolmente anche per piccoli incrementi di tensione sui terminali secondari. La tensione del punto di ginocchio è meno applicabile per la misurazione dei trasformatori di corrente poiché la loro precisione è generalmente molto più alta ma limitata entro un intervallo molto piccolo del valore nominale del trasformatore di corrente, tipicamente da 1,2 a 1,5 volte la corrente nominale. Tuttavia, il concetto di tensione del punto di ginocchio è molto pertinente ai trasformatori di corrente di protezione, poiché sono necessariamente esposti a correnti di guasto da 20 a 30 volte la corrente nominale.
Sfasamento
Idealmente, le correnti primarie e secondarie di un trasformatore di corrente dovrebbero essere in fase. In pratica, questo è impossibile, ma, a frequenze di potenza normali, sono ottenibili sfasamenti di pochi decimi di grado, mentre TA più semplici possono avere sfasamenti fino a sei gradi. Per la misurazione della corrente, lo sfasamento è irrilevante poiché gli amperometri visualizzano solo l'ampiezza della corrente. Tuttavia, in wattmetri , misuratori di energia e misuratori del fattore di potenza , lo spostamento di fase produce errori. Per la misurazione della potenza e dell'energia, gli errori sono considerati trascurabili al fattore di potenza unitario, ma diventano più significativi man mano che il fattore di potenza si avvicina allo zero. A fattore di potenza zero, qualsiasi potenza indicata è interamente dovuta all'errore di fase del trasformatore di corrente. L'introduzione dei contatori elettronici di potenza e di energia ha consentito di calibrare l'errore di fase della corrente.
Costruzione
I trasformatori di corrente a barra hanno terminali per i collegamenti di sorgente e carico del circuito primario e il corpo del trasformatore di corrente fornisce l'isolamento tra il circuito primario e la terra. Utilizzando l'isolamento in olio e le boccole in porcellana, tali trasformatori possono essere applicati alle tensioni di trasmissione più elevate.
I trasformatori di corrente ad anello sono installati su una sbarra collettrice o su un cavo isolato e hanno solo un basso livello di isolamento sulla bobina secondaria. Per ottenere rapporti non standard o per altri scopi speciali, è possibile far passare più di un giro del cavo primario attraverso l'anello. Se è presente una schermatura metallica nella guaina del cavo, questa deve essere terminata in modo che nessuna corrente di guaina netta passi attraverso l'anello, per garantire la precisione. I trasformatori di corrente utilizzati per rilevare le correnti di guasto a terra (sequenza zero), come in un'installazione trifase, possono avere tre conduttori primari fatti passare attraverso l'anello. Solo la corrente netta sbilanciata produce una corrente secondaria, che può essere utilizzata per rilevare un guasto da un conduttore eccitato a terra. I trasformatori ad anello utilizzano solitamente sistemi di isolamento a secco, con una custodia in gomma dura o plastica sugli avvolgimenti secondari.
Per i collegamenti temporanei, un trasformatore di corrente del tipo ad anello diviso può essere fatto scorrere su un cavo senza scollegarlo. Questa tipologia ha un'anima in ferro laminato, con una sezione incernierata che ne consente l'installazione sopra il cavo; il nucleo collega il flusso magnetico prodotto dall'avvolgimento primario ad una spira ad un secondario avvolto con molte spire. Poiché le lacune nel segmento incernierato introducono imprecisioni, tali dispositivi non vengono normalmente utilizzati per la misurazione dei ricavi.
I trasformatori di corrente, in particolare quelli destinati al servizio di sottostazioni ad alta tensione, possono avere più prese sui loro avvolgimenti secondari, fornendo diversi rapporti nello stesso dispositivo. Ciò può essere fatto per consentire una riduzione dell'inventario delle unità di ricambio o per consentire la crescita del carico in un'installazione. Un trasformatore di corrente ad alta tensione può avere più avvolgimenti secondari con lo stesso primario, per consentire circuiti di misura e protezione separati o per il collegamento a diversi tipi di dispositivi di protezione. Ad esempio, un secondario può essere utilizzato per la protezione da sovracorrente del ramo, mentre un secondo avvolgimento può essere utilizzato in uno schema di protezione differenziale del bus e un terzo avvolgimento utilizzato per la misurazione della potenza e della corrente.
Tipi speciali
Trasformatori di corrente a banda larga appositamente costruiti vengono anche utilizzati (di solito con un oscilloscopio ) per misurare forme d' onda di alta frequenza o correnti pulsate all'interno di sistemi di alimentazione pulsata . A differenza dei TA utilizzati per i circuiti di alimentazione, i TA a banda larga sono classificati in volt di uscita per ampere di corrente primaria.
Se la resistenza al carico è molto inferiore all'impedenza induttiva dell'avvolgimento secondario alla frequenza di misurazione, la corrente nel secondario segue la corrente primaria e il trasformatore fornisce un'uscita di corrente proporzionale alla corrente misurata. D'altra parte, se questa condizione non è vera, il trasformatore è induttivo e fornisce un'uscita differenziale. La bobina di Rogowski utilizza questo effetto e richiede un integratore esterno per fornire un'uscita di tensione proporzionale alla corrente misurata.
Standard
In definitiva, a seconda delle esigenze del cliente, ci sono due standard principali per i quali sono progettati i trasformatori di corrente. IEC 61869-1 (in passato IEC 60044-1) e IEEE C57.13 (ANSI), sebbene siano riconosciuti anche gli standard canadesi e australiani.
Tipi ad alta tensione
I trasformatori di corrente sono utilizzati per la protezione, la misura e il controllo nelle sottostazioni elettriche ad alta tensione e nella rete elettrica . I trasformatori di corrente possono essere installati all'interno dei quadri o nei passanti degli apparecchi, ma molto spesso vengono utilizzati trasformatori di corrente da esterno autoportanti. In un cantiere di smistamento, i trasformatori di corrente per serbatoi sotto tensione hanno una parte sostanziale del loro involucro alimentata dalla tensione di linea e devono essere montati su isolatori. I trasformatori di corrente del serbatoio guasto isolano il circuito misurato dalla custodia. I TA sotto tensione del serbatoio sono utili perché il conduttore primario è corto, il che offre una migliore stabilità e una maggiore corrente nominale di cortocircuito. Il primario dell'avvolgimento può essere distribuito uniformemente attorno al nucleo magnetico, il che offre prestazioni migliori per sovraccarichi e transitori. Poiché l'isolamento principale di un trasformatore di corrente per serbatoio vivo non è esposto al calore dei conduttori primari, la durata dell'isolamento e la stabilità termica sono migliorate.
Un trasformatore di corrente ad alta tensione può contenere più nuclei, ciascuno con un avvolgimento secondario, per scopi diversi (come circuiti di misura, controllo o protezione). Un trasformatore di corrente neutro viene utilizzato come protezione da guasto a terra per misurare qualsiasi corrente di guasto che fluisce attraverso la linea neutra dal punto neutro a stella di un trasformatore.
Guarda anche
Riferimenti
- Guile, A .; Paterson, W. (1977). Sistemi di alimentazione elettrica, volume uno . Pergamo. p. 331. ISBN 0-08-021729-X .
