Un confronto pratico tra trasformatori di corrente per misurazione e protezione

Precisione della TC di protezioneLa precisione del TA di protezione non riguarda la fatturazione precisa, ma la prevedibilità delle prestazioni durante un guasto. La sua precisione è definita da un "errore composito" a un multiplo specificato della corrente nominale. Una classe di protezione comune è5P10.Questa designazione si suddivide come segue:

• 5: L'errore composito non supererà il 5% al ​​limite di precisione.
• P: Questa lettera lo designa come classe di protezione CT.
• 10: Questo è il fattore limite di precisione (ALF). Significa che il TA manterrà la precisione specificata fino a 10 volte la sua corrente primaria nominale.

In breve, un CT 5P10 garantisce che quando la corrente primaria è 10 volte superiore al suo valore nominale normale, il segnale inviato al relè è ancora entro il 5% del valore ideale, garantendo che il relè prenda una decisione di intervento corretta.

Onere e valutazione VA

Fardelloè il carico elettrico totale collegato ai terminali secondari del TA, misurato in Volt-Ampere (VA) o Ohm (Ω). Ogni dispositivo e filo collegato al TA contribuisce a questo carico. Superare il carico nominale di un TA ne comprometterà la precisione.

L'onere totale è ilsomma delle impedenze di tutti i componentinel circuito secondario:

• Resistenza dell'avvolgimento secondario del CT.
• La resistenza dei cavi che collegano la TC al dispositivo.
• L'impedenza interna del dispositivo collegato (misuratore o relè).

Calcolo dell'onere totale:Un ingegnere può calcolare il carico totale utilizzando la formula:Carico totale (Ω) = Avvolgimento TA R (Ω) + Filo R (Ω) + Dispositivo Z (Ω)Ad esempio, se la resistenza dell'avvolgimento secondario di un trasformatore di corrente è 0,08 Ω, i fili di collegamento hanno una resistenza di 0,3 Ω e il relè ha un'impedenza di 0,02 Ω, il carico totale del circuito è 0,4 Ω. Questo valore deve essere inferiore al carico nominale del trasformatore di corrente affinché funzioni correttamente.

I trasformatori di corrente di misura hanno in genere bassi valori nominali in VA (ad esempio, 2,5 VA, 5 VA) perché si collegano a dispositivi di misura ad alta impedenza e basso consumo su brevi distanze. I trasformatori di corrente di protezione richiedono valori nominali in VA molto più elevati (ad esempio, 15 VA, 30 VA) perché devono fornire potenza sufficiente per azionare le bobine a bassa impedenza e ad alto consumo di un relè di protezione, spesso su tratte di cavo molto più lunghe. L'errata corrispondenza tra la potenza nominale del trasformatore di corrente e il carico effettivo del circuito è una fonte comune di errore sia negli schemi di misura che in quelli di protezione.

Comprensione della tensione del punto del ginocchio

La tensione al punto di ginocchio (KPV) è un parametro critico esclusivo dei trasformatori di corrente di protezione. Definisce il limite superiore del campo operativo utile di un trasformatore di corrente prima che il suo nucleo inizi a saturarsi. Questo valore è essenziale per garantire che un relè di protezione riceva un segnale affidabile durante un guasto ad alta corrente.

Gli ingegneri determinano il KPV dalla curva di eccitazione del trasformatore di corrente, che rappresenta graficamente la tensione di eccitazione secondaria in funzione della corrente di eccitazione secondaria. Il "ginocchio" è il punto di questa curva in cui le proprietà magnetiche del nucleo cambiano drasticamente.

ILStandard IEEE C57.13fornisce una definizione precisa di questo punto. Per una TC a nucleo non gappato, il punto di ginocchio è il punto in cui una tangente alla curva forma un angolo di 45 gradi con l'asse orizzontale. Per una TC a nucleo gappato, questo angolo è di 30 gradi. Questo punto specifico segna l'inizio della saturazione.

Quando un trasformatore di corrente (CT) opera al di sotto della tensione di ginocchio, il suo nucleo si trova in uno stato magnetico lineare. Ciò gli consente di riprodurre accuratamente la corrente di guasto del relè collegato. Tuttavia, una volta che la tensione secondaria supera il KPV, il nucleo entra in saturazione. La saturazione, spesso causata da elevate correnti CA e offset CC durante un guasto, causa la diseccitazione del trasformatore di corrente.impedenza magnetizzante che scende significativamenteIl trasformatore non riesce più a riflettere fedelmente la corrente primaria sul suo lato secondario.

La relazione tra KPV e affidabilità della protezione è diretta e cruciale:

• Sotto il punto del ginocchio:Il nucleo del TA funziona in modo lineare. Fornisce una rappresentazione accurata della corrente di guasto al relè di protezione.
• Punto sopra il ginocchio:Il nucleo si satura. Ciò provoca un notevole aumento della corrente magnetizzante e un funzionamento non lineare, il che significa che il TA non riflette più accuratamente la reale corrente di guasto.
• Funzionamento del relè:I relè di protezione necessitano di un segnale preciso per funzionare correttamente. Se un trasformatore di corrente si satura prima che il relè possa prendere una decisione, quest'ultimo potrebbe non riuscire a rilevare la reale entità del guasto, causando un intervento ritardato o il completo mancato funzionamento.
• Sicurezza del sistema:Pertanto, la tensione al ginocchio del trasformatore di corrente deve essere sufficientemente superiore alla massima tensione secondaria prevista durante un guasto. Ciò garantisce che il relè riceva un segnale affidabile per proteggere apparecchiature costose.

Gli ingegneri calcolano il KPV necessario per garantire che il CT rimanga insaturo nelle peggiori condizioni di guasto. Una formula semplificata per questo calcolo è:

KPV richiesto ≥ Se × (Rct + Rb)

Dove:

• If= Corrente di guasto secondaria massima (Ampere)
• Rct= Resistenza dell'avvolgimento secondario del CT (Ohm)
• Rb= Carico totale del relè, cablaggio e connessioni (Ohm)

In definitiva, la tensione del punto di ginocchio funge da indicatore primario della capacità di un trasformatore di protezione di svolgere la sua funzione di sicurezza in condizioni di stress elettrico estremo.

Decodifica delle designazioni delle targhette dei trasformatori di corrente

La targhetta identificativa di un trasformatore di corrente contiene un codice compatto che ne definisce le prestazioni. Questa designazione alfanumerica è un linguaggio abbreviato per gli ingegneri, che specifica la precisione, l'applicazione e i limiti operativi del componente. La comprensione di questi codici è essenziale per la scelta del dispositivo corretto.

Interpretazione delle classi di misurazione CT (ad esempio, 0,2, 0,5S, 1)

Le classi di misura dei TA sono definite da un numero che rappresenta l'errore percentuale massimo consentito alla corrente nominale. Un numero più piccolo indica un grado di precisione maggiore.

• Classe 1:Adatto per la misurazione generale dei pannelli in cui l'elevata precisione non è fondamentale.
• Classe 0.5:Utilizzato per applicazioni di fatturazione commerciali e industriali.
• Classe 0.2:Necessario per una misurazione dei ricavi ad alta precisione.

Alcune classi includono la lettera "S". La designazione "S" nelle classi di misura IEC dei TA, come 0,2S e 0,5S, indica un'elevata precisione. Questa particolare classificazione è generalmente utilizzata nelle applicazioni di misurazione tariffaria, dove la precisione delle misurazioni è fondamentale, soprattutto all'estremità inferiore dell'intervallo di corrente.

Interpretazione delle classi di protezione CT (ad esempio, 5P10, 10P20)

Le classi di protezione CT utilizzano un codice in tre parti che descrive il loro comportamento durante un guasto. Un esempio comune è5P10.

Analisi del codice 5P10:

• 5: Questo primo numero rappresenta l'errore composito massimo in percentuale (5%) al limite di precisione.
• P: La lettera "P" in una classificazione come 5P10 significa "Classe di protezione". Ciò indica che il TA è progettato principalmente per applicazioni di relè di protezione piuttosto che per misurazioni di precisione.
• 10: Quest'ultimo numero è il fattore limite di precisione (ALF). Significa che il TA manterrà la precisione specificata fino a una corrente di guasto pari a 10 volte la sua corrente nominale.

Allo stesso modo, un10P20la classe CT ha un limite di errore composito del 10% e un fattore limite di accuratezza di20In una designazione come 10P20, il numero "20" indica il fattore limite di precisione. Questo fattore indica che l'errore del trasformatore rimarrà entro limiti accettabili quando la corrente è 20 volte superiore al suo valore nominale. Questa capacità è fondamentale per garantire il corretto funzionamento dei relè di protezione in condizioni di cortocircuito gravi.

Guida all'applicazione: abbinamento del CT all'attività

La scelta del trasformatore di corrente appropriato non è una questione di preferenza, ma un requisito dettato dall'applicazione. Un trasformatore di corrente di misura fornisce la precisione necessaria per le transazioni finanziarie, mentre un trasformatore di corrente di protezione offre l'affidabilità richiesta per la sicurezza degli asset. Capire dove applicare ciascuna tipologia è fondamentale per una corretta progettazione e gestione dell'impianto elettrico.

Quando utilizzare una TC di misurazione

Gli ingegneri dovrebbero utilizzare un CT di misura in qualsiasi applicazione in cui il monitoraggio preciso dei consumi elettrici sia l'obiettivo primario. Questi dispositivi sono alla base di una fatturazione e di una gestione energetica accurate. Il loro design privilegia un'elevata precisione in condizioni di carico normali.

Le principali applicazioni dei TC di misura includono:

• Misurazione delle entrate e delle tariffe: Le aziende di servizi pubblici utilizzano trasformatori di corrente ad alta precisione (ad esempio, Classe 0,2S, 0,5S) per la fatturazione di clienti residenziali, commerciali e industriali. La precisione garantisce transazioni finanziarie eque e corrette.
• Sistemi di gestione dell'energia (EMS): Le strutture utilizzano questi CT per monitorare il consumo energetico di diversi reparti o apparecchiature. Questi dati aiutano a identificare le inefficienze e a ottimizzare l'uso dell'energia.
• Analisi della qualità dell'energia: Gli analizzatori di qualità dell'alimentazione richiedono dati accurati per diagnosticare problemi come armoniche e cali di tensione. Per queste misurazioni, soprattutto nei sistemi a media tensione, la risposta in frequenza del trasformatore di misura è fondamentale. Gli analizzatori moderni potrebbero necessitare di dati affidabili.fino a 9 kHz, richiedendo trasformatori ottimizzati in base alla frequenza per catturare uno spettro armonico completo.

Nota sulla selezione:Quando si sceglie un CT per un misuratore o analizzatore di potenza, diversi fattori sono cruciali.

• Compatibilità di uscita: L'uscita del CT (ad esempio, 333 mV, 5 A) deve corrispondere ai requisiti di ingresso del misuratore.
• Dimensione del carico: Per mantenere la precisione, l'intervallo di amperaggio del CT deve essere allineato al carico previsto.
• Forma fisica: Il trasformatore di corrente deve adattarsi fisicamente al conduttore. Le bobine di Rogowski flessibili sono una soluzione pratica per sbarre collettrici di grandi dimensioni o spazi ristretti.
• Precisione: Per la fatturazione, la precisione standard è pari o superiore allo 0,5%. Per un monitoraggio generale, potrebbe essere sufficiente l'1%.

Quando utilizzare una TC di protezione

Gli ingegneri devono utilizzare un trasformatore di corrente alternata di protezione ogniqualvolta l'obiettivo primario sia la salvaguardia del personale e delle apparecchiature da sovracorrenti e guasti. Questi trasformatori di corrente alternata sono progettati per rimanere operativi durante eventi elettrici estremi, fornendo un segnale affidabile a un relè di protezione.

Le applicazioni più comuni per i CT di protezione includono:

• Protezione da sovracorrente e guasti a terra: Questi trasformatori di corrente (TA) inviano segnali a relè (come il dispositivo ANSI 50/51) che rilevano guasti di fase o di terra. Il relè quindi fa scattare un interruttore automatico per isolare il guasto. Negli apparecchi di commutazione di media tensione, utilizzando un appositoTC a sequenza zeroper la protezione da guasti a terra è spesso consigliato su una connessione residua diTA trifaseUn collegamento residuo può causare falsi scatti dovuti a saturazione non uniforme durante l'avviamento del motore o a guasti di fase.
• Protezione differenziale: Questo schema protegge risorse importanti come trasformatori e generatori confrontando le correnti in entrata e in uscita dalla zona protetta. Richiede set abbinati di trasformatori di corrente di protezione.Moderni relè digitalipuò compensare diverse connessioni CT (a stella o a triangolo) e sfasamenti tramite impostazioni software, offrendo una notevole flessibilità in questi schemi complessi.
• Protezione a distanza: Utilizzato nelle linee di trasmissione, questo schema si basa su trasformatori di corrente di protezione (TA) per misurare l'impedenza di un guasto. La saturazione del TA può distorcere questa misurazione, causando un errore di valutazione della posizione del guasto da parte del relè. Pertanto, il TA deve essere progettato per evitare la saturazione per tutta la durata della misurazione.

Secondo ANSI C57.13, un CT protettivo standard deve resistere fino a20 voltela sua corrente nominale durante un guasto. Ciò garantisce che possa fornire un segnale utilizzabile al relè quando è più necessario.

L'alto costo di una selezione errata

L'utilizzo di un tipo di TC errato è un errore critico con gravi conseguenze. Le differenze funzionali tra TC di misura e TC di protezione non sono intercambiabili e una mancata corrispondenza può portare a conseguenze pericolose e costose.

• Utilizzo di un CT di misura per la protezione: Questo è l'errore più pericoloso. Un TA di misura è progettato per saturarsi a basse sovracorrenti per proteggere il contatore. In caso di guasto grave, si saturerà quasi istantaneamente. Il TA saturo non riuscirà a riprodurre l'elevata corrente di guasto e il relè di protezione non rileverà la reale entità dell'evento. Ciò può portare a un intervento ritardato o a un completo mancato funzionamento, con conseguenti danni catastrofici alle apparecchiature, incendi e rischi per il personale. Ad esempio, la saturazione del TA può causare l'attivazione di un relè di protezione differenziale del trasformatore.malfunzionare, provocando uno scatto indesiderato durante un guasto esterno.
• Utilizzo di un CT di protezione per la misurazione: Questa scelta porta a un'imprecisione finanziaria. Un TA di protezione non è progettato per la precisione alle normali correnti di esercizio. La sua classe di precisione (ad esempio, 5P10) garantisce prestazioni a multipli elevati della sua classificazione, non al limite inferiore della scala in cui opera la maggior parte dei sistemi. Utilizzarlo per la fatturazione sarebbe come misurare un granello di sabbia con un metro. Le bollette energetiche risultanti sarebbero imprecise, con conseguenti perdite di fatturato per l'azienda di servizi pubblici o sovrapprezzi per il consumatore.

Uno scenario di fallimento critico:Negli schemi di protezione a distanza, la saturazione CT fa sì che il relè misuri unimpedenza più elevatarispetto al valore effettivo. Ciò riduce di fatto la portata protettiva del relè. Un guasto che dovrebbe essere eliminato immediatamente potrebbe essere percepito come un guasto più distante, causando un intervento ritardato. Questo ritardo prolunga lo stress sul sistema elettrico e aumenta il rischio di danni estesi.

In definitiva, il costo di una scelta errata di un CT va ben oltre il prezzo del componente stesso. Si manifesta nella distruzione delle apparecchiature, nei tempi di fermo operativo, nei registri finanziari imprecisi e nella compromissione della sicurezza.

Un unico CT può svolgere sia la funzione di misurazione che di protezione?

Sebbene i trasformatori di corrente alternata (TA) di misura e di protezione abbiano design distinti, a volte gli ingegneri necessitano di un unico dispositivo per svolgere entrambe le funzioni. Questa esigenza ha portato allo sviluppo di trasformatori specializzati a doppio scopo, che tuttavia presentano specifici compromessi.

Il CT a doppio scopo (classe X)

Una categoria speciale, nota comeTrasformatore di corrente di classe X o PS, possono svolgere sia funzioni di misurazione che di protezione. Questi dispositivi non sono definiti da classi di precisione standard come 5P10. Le loro prestazioni sono invece specificate da una serie di parametri chiave che un ingegnere utilizza per verificarne l'idoneità per uno specifico schema di protezione.

Secondo gli standard IEC, le prestazioni di un CT di Classe X sono definite da:

• Corrente primaria nominale
• Rapporto di sterzata
• Tensione del punto del ginocchio (KPV)
• Corrente magnetizzante alla tensione specificata
• Resistenza dell'avvolgimento secondario a 75°C

Queste caratteristiche consentono al dispositivo di offrire un'elevata precisione di misurazione in condizioni normali, fornendo al contempo una tensione di ginocchio prevedibile per un funzionamento affidabile del relè in caso di guasto. Sono spesso utilizzati in schemi di protezione differenziale ad alta impedenza in cui le prestazioni devono essere note con precisione.

Limitazioni pratiche e compromessi

Nonostante l'esistenza di trasformatori di corrente di Classe X, spesso si evita di utilizzare un unico dispositivo sia per la misura che per la protezione. Le due funzioni hanno requisiti fondamentalmente contrastanti.

Un CT di misura è progettato per saturarsi precocemente per proteggere i contatori sensibili.la protezione CT è progettataresistere alla saturazione per garantire che un relè possa rilevare un guasto. Un trasformatore di corrente a doppio scopo deve trovare un compromesso tra questi due obiettivi opposti.

Questo compromesso implica che un trasformatore di corrente a doppio scopo potrebbe non svolgere entrambe le funzioni con la stessa efficacia di un'unità dedicata. La progettazione diventa più complessa e costosa. Per la maggior parte delle applicazioni, l'installazione di due trasformatori di corrente separati e specializzati, uno per la misurazione e uno per la protezione, rappresenta la soluzione più affidabile ed economica. Questo approccio garantisce che entrambi i...sistema di fatturazionee il sistema di sicurezza funziona senza compromessi.

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La scelta traTA di misura e protezioneè una decisione netta basata sulla priorità operativa. Una garantisce la precisione per la fatturazione, mentre l'altra garantisce l'affidabilità in caso di guasto. La scelta del tipo corretto è imprescindibile per la sicurezza del sistema, l'accuratezza finanziaria e la longevità delle apparecchiature. I tecnici devono sempre confrontare le specifiche del CT con le esigenze del dispositivo collegato.

UNlista di controllo di verifica finaleinclude:

1. Determinare la corrente primaria: Adattare il rapporto CT al carico massimo.
2. Calcola l'onere: Somma il carico di tutti i componenti collegati.
3. Verifica la classe di accuratezza: Selezionare la classe corretta per la misurazione o la protezione.

Domande frequenti

Cosa succede se il circuito secondario di un CT viene lasciato aperto?

Un circuito secondario aperto crea un'alta tensione pericolosa. La corrente primaria diventa corrente magnetizzante, saturando il nucleo. Questa condizione può distruggere il trasformatore di corrente e comporta un grave rischio di scossa elettrica.

La sicurezza prima di tutto:Prima di scollegare qualsiasi strumento dal circuito, cortocircuitare sempre i terminali secondari.

Come fanno gli ingegneri a selezionare il corretto rapporto CT?

Gli ingegneri selezionano un rapporto in cui la corrente massima normale del sistema sia prossima alla corrente nominale primaria del trasformatore di corrente. Questa scelta garantisce che il trasformatore di corrente funzioni entro il suo intervallo di precisione più preciso. Ad esempio, un carico da 90 A funziona bene con un trasformatore di corrente da 100:5 A.

Perché una TC di misurazione non è sicura ai fini della protezione?

Un TA di misura si satura rapidamente durante un guasto. Non è in grado di segnalare la reale corrente di guasto al relè di protezione. Il relè non riesce quindi a far scattare l'interruttore, causando la distruzione dell'apparecchiatura e gravi rischi per la sicurezza.

Un CT può svolgere sia la funzione di misurazione che di protezione?

I trasformatori di corrente speciali di Classe X possono svolgere entrambe le funzioni, ma il loro design è frutto di un compromesso. Per garantire la massima sicurezza e precisione, gli ingegneri installano in genere due trasformatori di corrente separati e dedicati: uno per la misurazione e uno per la protezione.