Costruzione interna e tipologie di trasformatori di corrente

Il Nucleo: il cuore di ogni trasformatore di corrente

Il nucleo magnetico è il singolo componente che determina maggiormente le prestazioni all'interno di un trasformatore di corrente. Serve come mezzo attraverso il quale l'energia dal conduttore primario viene trasferita all'avvolgimento secondario mediante induzione elettromagnetica. La forma, il materiale e l'area della sezione trasversale del nucleo determinano quasi tutte le caratteristiche prestazionali del dispositivo finito.

Geometria centrale

La maggior parte dei nuclei dei trasformatori di corrente sono realizzati in forma toroidale (ad anello). Questa geometria a circuito chiuso garantisce che il percorso del flusso magnetico sia continuo, riducendo al minimo le perdite di flusso e contribuendo a un'elevata precisione. I nuclei toroidali sono standard negli strumenti di fascia economica e di protezione perché producono errori dell'angolo di fase molto bassi alla corrente nominale.

Per i trasformatori di corrente di tipo avvolto utilizzati in applicazioni ad alto rapporto o speciali, i nuclei possono essere laminati in configurazioni rettangolari o a forma di C assemblate da nastri di acciaio elettrico a grani orientati. Questi nuclei laminati consentono al produttore di adattare l'area della sezione trasversale esattamente al carico target e alla classe di precisione.

Materialei del nucleo magnetico

La scelta del materiale del nucleo magnetico controlla direttamente la classe di precisione del trasformatore, il comportamento di saturazione e la risposta in frequenza. La tabella seguente riassume le opzioni più comuni:

Per la misurazione standard della frequenza industriale a 50 Hz o 60 Hz, l'acciaio al silicio CRGO rimane la scelta dominante grazie al suo equilibrio favorevole tra costo, disponibilità e prestazioni magnetiche. Le leghe di nichel-ferro sono riservate ai CT per la misurazione dei ricavi di precisione in cui gli errori devono essere contenuti entro lo 0,1% o lo 0,2% in un ampio intervallo di carico.

Laminazione e isolamento del nucleo

Per ridurre le perdite per correnti parassite, i nuclei di acciaio al silicio sono laminati in strisce sottili, tipicamente di spessore compreso tra 0,23 mm e 0,35 mm. Ogni laminazione è rivestita con un sottile strato isolante – solitamente un trattamento di fosfatazione o una vernice organica – che impedisce alla corrente di fluire tra gli strati. La laminazione più stretta e le strisce più sottili riducono le perdite e l'accumulo di calore in condizioni di sovraccarico prolungato.

Avvolgimento secondario: conversione del flusso in un segnale misurabile

L'avvolgimento secondario è avvolto direttamente sul nucleo ed è responsabile della produzione della corrente di uscita misurata da strumenti, relè e misuratori. La costruzione fisica di questo avvolgimento influisce sia sulla precisione che sulle prestazioni termiche.

Filo di avvolgimento e materiale conduttore

Praticamente tutti gli avvolgimenti secondari sono avvolti da filo di rame smaltato. La combinazione del rame tra elevata conduttività elettrica, duttilità e caratteristiche di temperatura ben note lo rende la scelta standard. Nei progetti leggeri specializzati, occasionalmente viene utilizzato il filo di alluminio, sebbene richieda sezioni trasversali più grandi per raggiungere lo stesso obiettivo di resistenza e richieda un'attenta terminazione per prevenire la corrosione.

Il calibro del filo viene scelto per soddisfare le specifiche di resistenza dell'avvolgimento secondario (spesso chiamato Rct, la resistenza dell'avvolgimento secondario). Un Rct inferiore consente che una porzione maggiore della forza elettromagnetica secondaria disponibile venga erogata al carico esterno anziché dissipata internamente sotto forma di calore. Ciò influisce direttamente sulla precisione a bassi livelli di carico.

Tecnica di avvolgimento e conteggio dei giri

Il numero di spire dell'avvolgimento secondario determina il rapporto di trasformazione in combinazione con le spire primarie. Per un trasformatore di corrente standard a barra o a finestra in cui il primario è un singolo conduttore passante, il conteggio delle spire del primario è 1. Le spire del secondario vengono quindi impostate per ottenere il rapporto desiderato, ad esempio 200 spire per un rapporto 200:1 in un trasformatore da 200 A/1 A.

Gli avvolgimenti sono distribuiti uniformemente attorno al toroide per garantire una forza magnetomotrice bilanciata e per ridurre al minimo il flusso di dispersione. L'uniformità è particolarmente critica nei progetti ad alta precisione dove anche piccole asimmetrie nella distribuzione degli avvolgimenti possono introdurre errori misurabili dell'angolo di fase.

Isolamento tra strati

Gli avvolgimenti multistrato richiedono un isolamento interstrato per prevenire la rottura della tensione tra spire a potenziali diversi. I comuni materiali isolanti interstrato includono:

• Nastro in pellicola di poliestere (tipo Mylar): utilizzato nei trasformatori di corrente da bassa a media tensione per il suo equilibrio tra rigidità dielettrica e profilo sottile
• Film in poliimmide (tipo Kapton): selezionato quando le temperature di esercizio superano i 130°C o quando è necessario un isolamento molto sottile senza sacrificare la resistenza alla tensione
• Carta Nomex: utilizzata in ambienti secchi e ad alta temperatura in cui i materiali a base di cellulosa si degraderebbero

Disposizioni dei conduttori primari nella costruzione di trasformatori di corrente

Il lato primario di un trasformatore di corrente può essere disposto in molti modi nettamente diversi, ciascuno dei quali risulta in un diverso tipo di costruzione meccanica. Questa è la base principale per classificare i CT in base alla progettazione fisica.

Costruzione del trasformatore di corrente di tipo a barra

Un trasformatore di corrente a barra utilizza un conduttore primario fisso, installato in fabbrica, in genere una barra di rame o alluminio, che passa attraverso il centro del gruppo nucleo e avvolgimento toroidale o rettangolare. Attorno a questa barra sono incapsulati il ​​nucleo e l'avvolgimento secondario. Questa costruzione offre la massima rigidità meccanica ed è preferita per installazioni di quadri e sbarre collettrici dove la corrente nominale primaria varia da 400 A a diverse migliaia di A.

Poiché la barra è impostata in fabbrica, i TA a barra non sono regolabili sul campo. La corrente primaria nominale viene determinata in fase di produzione. Sono, tuttavia, estremamente stabili per decenni di servizio poiché non sono presenti giunti meccanici nel percorso primario che possano allentarsi o corrodersi.

Costruzione di trasformatori di corrente a finestra

I trasformatori di corrente a finestra, a volte chiamati trasformatori di corrente ad anello o a ciambella, sono costituiti da un nucleo toroidale avvolto con la bobina secondaria e racchiuso in un alloggiamento con un'apertura centrale. Il conduttore primario, qualunque sia il cavo o la sbarra che trasporta la corrente misurata, viene semplicemente fatto passare attraverso questa apertura al momento dell'installazione. Non viene effettuato alcun collegamento elettrico tra il corpo del TA ed il conduttore primario; il trasformatore funziona esclusivamente per induzione.

Questo design è versatile perché un singolo modello CT può essere installato su conduttori di sezioni trasversali variabili, purché il conduttore passi fisicamente attraverso la finestra. I TA a finestra sono ampiamente utilizzati nei quadri elettrici, nel monitoraggio dei cavi e nell'ammodernamento di installazioni esistenti.

Costruzione di trasformatori di corrente avvolti

In un trasformatore di corrente avvolto, l'avvolgimento primario è costituito da una o più spire di conduttore di rame isolato avvolte direttamente sul nucleo accanto al secondario. Questa disposizione viene utilizzata quando la corrente primaria è relativamente bassa, in genere inferiore a 100 A, e un conduttore a passaggio singolo produrrebbe un flusso insufficiente per una misurazione accurata.

Aggiungendo due, tre o più spire primarie, il rapporto di trasformazione effettivo viene moltiplicato senza richiedere un nucleo fisicamente più grande. Un TA avvolto con 5 spire primarie e 1.000 spire secondarie ha un rapporto effettivo di 1.000:5 o 200:1, con un primario a 5 spire che guida un flusso maggiore per la stessa corrente di linea rispetto a un primario a barra singola.

I TA di tipo avvolto sono in genere più costosi dei tipi a barra o a finestra con la stessa corrente nominale, poiché il processo di avvolgimento aggiuntivo aggiunge manodopera e l'isolamento del conduttore primario deve essere valutato per l'intera tensione linea-linea del sistema.

Trasformatore di corrente apribile: costruzione e applicazioni

Il trasformatore di corrente apribile risolve uno specifico problema pratico: come installare un trasformatore di corrente su un conduttore che non può essere diseccitato o disconnesso. Il nucleo magnetico è diviso in due metà lungo un giunto lavorato con precisione. Una cerniera o un meccanismo di chiusura mantiene le metà chiuse durante il funzionamento e consente di separarle per l'installazione.

Quando le metà del nucleo sono aperte, il TA può essere posizionato attorno a un cavo sotto tensione. Una volta chiuso e agganciato, il circuito magnetico è completo e il dispositivo funziona in modo identico ad un TA toroidale solido di dimensioni equivalenti.

Il key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• Lavorazione di precisione delle superfici di accoppiamento con tolleranze inferiori a 10 micrometri
• Utilizzo di materiali del nucleo ad alta permeabilità che sono più tolleranti nei confronti di piccoli spazi residui
• Chiusure a molla che applicano una forza di serraggio costante per mantenere le metà saldamente accoppiate
• Materiali del nucleo nanocristallini o amorfi, che mantengono un errore inferiore anche con una chiusura leggermente imperfetta

I TA apribili sono ampiamente utilizzati nel controllo energetico, nei sistemi di gestione dell'energia degli edifici, nei pannelli di monitoraggio dell'alimentazione retrofittati e in qualsiasi applicazione in cui l'installazione deve essere eseguita senza spegnere il circuito monitorato. Sono disponibili in classi di precisione dalla Classe 1 fino alla Classe 0,5 a seconda del materiale del nucleo e della qualità del giunto.

Trasformatore di corrente toroidale: perché domina la forma ad anello

Il toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

Efficienza magnetica del nucleo toroidale

Poiché il flusso magnetico circola interamente all'interno del materiale del nucleo in una struttura toroidale, essenzialmente nessun flusso fuoriesce nell'aria circostante. Ciò ha due conseguenze pratiche. Innanzitutto, la corrente magnetizzante richiesta per stabilire il flusso di lavoro è molto bassa, il che riduce direttamente l'errore di rapporto e lo sfasamento. In secondo luogo, il trasformatore toroidale è molto meno sensibile alla posizione del conduttore primario all'interno della finestra (una proprietà chiamata immunità agli errori di posizione) rispetto ai modelli con nucleo rettangolare.

In un TA toroidale ben progettato, lo spostamento del conduttore primario dal centro della finestra a una posizione decentrata introduce un errore di rapporto aggiuntivo inferiore allo 0,05%. In un TA con nucleo rettangolare lo stesso spostamento può introdurre errori superiori allo 0,3%.

Produzione di nuclei toroidali

I nuclei toroidali per trasformatori di corrente sono prodotti con uno dei tre metodi a seconda del materiale di destinazione:

1. Nuclei avvolti in nastro — Una striscia continua di acciaio al silicio, lega di nichel-ferro o nastro nanocristallino viene avvolta a spirale attorno a un mandrino e quindi trattata termicamente per alleviare lo stress meccanico introdotto durante l'avvolgimento. Questo metodo viene utilizzato per i gradi di precisione più elevati.
2. Nuclei di laminazione impilati — I singoli lamierini perforati vengono impilati e intercalati per formare un anello, comunemente utilizzato per nuclei di diametro maggiore dove l'avvolgimento del nastro produrrebbe uno stress interno eccessivo.
3. Nuclei di ferrite in polvere o sinterizzata — Utilizzato per applicazioni ad alta frequenza; la ferrite viene pressata in uno stampo toroidale e sinterizzata ad alta temperatura.

Sistemi di isolamento nei trasformatori di corrente

L'isolamento del TA deve svolgere due funzioni contemporaneamente: isolare il conduttore primario ad alta tensione dal circuito secondario a bassa tensione e proteggere l'avvolgimento e il nucleo dal degrado ambientale. Il sistema di isolamento scelto dipende dalla tensione nominale, dall'ambiente circostante e dai requisiti meccanici dell'applicazione.

Incapsulamento in resina (stampaggio epossidico o poliuretanico)

Il majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• Fornisce rigidità dielettrica superiore a 3 kV/mm per sistemi epossidici standard
• Elimina l'ingresso di umidità senza ulteriore sigillatura
• Protegge meccanicamente il nucleo e l'avvolgimento da vibrazioni e urti
• Permette un preciso controllo dimensionale del corpo esterno per il montaggio a pannello

L'impregnazione sotto pressione (VPI) viene utilizzata per assemblaggi più grandi in cui la fusione è poco pratica. L'avvolgimento è immerso nella resina sotto vuoto per rimuovere l'aria intrappolata, quindi pressurizzato per forzare la resina in ogni vuoto prima della polimerizzazione.

Isolamento riempito d'olio

I trasformatori di corrente ad alta tensione con tensione nominale superiore a 36 kV utilizzano generalmente olio minerale come mezzo isolante e di raffreddamento primario. Il nucleo avvolto e il gruppo secondario sono posizionati all'interno di un serbatoio metallico sigillato riempito con olio minerale per trasformatori. L'isolamento in carta di cellulosa è avvolto attorno al conduttore primario in più strati, aumentando la distanza superficiale necessaria per resistere alla tensione di linea.

I TA riempiti d'olio sono lo standard per le installazioni a 110 kV, 220 kV e 500 kV nelle sottostazioni di trasmissione. Il campionamento regolare dell'olio e l'analisi dei gas disciolti consentono ai team di manutenzione di rilevare l'incipiente degrado dell'isolamento prima che si verifichino guasti.

Trasformatori di corrente isolati in gas

Nelle installazioni di quadri isolati in gas (GIS), i trasformatori di corrente sono integrati nell'involucro GIS e utilizzano il gas esafluoruro di zolfo (SF6) come mezzo isolante. Questi TA beneficiano dello stesso ingombro compatto del quadro circostante e non richiedono manutenzione di liquidi, sebbene il sistema di gas sigillato debba essere monitorato per pressione e purezza.

Design a secco e con isolamento in aria

Per le installazioni interne in ambienti controllati con tensioni fino a circa 36 kV, i trasformatori di corrente a secco che utilizzano materiali isolanti solidi (fibra di vetro legata con resina, resina colata o Nomex) offrono un'alternativa ai design riempiti di olio. Sono più leggeri, eliminano il rischio di fuoriuscite di petrolio e semplificano la manutenzione, sebbene siano più sensibili alla condensa e all'inquinamento se utilizzati in ambienti esterni difficili.

Classificazione dei trasformatori di corrente per tipologia costruttiva

Il following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

In che modo la costruzione interna influisce sulla precisione e sulle prestazioni

Selezionare il trasformatore di corrente giusto non è semplicemente una questione di adattamento del rapporto di corrente. La costruzione interna determina il comportamento di un trasformatore di corrente nel suo intervallo operativo, in condizioni di variazione del carico, a temperature elevate e in presenza di armoniche.

Errore di rapporto e sue origini

L'errore di rapporto si verifica perché la corrente magnetizzante - la corrente richiesta per stabilire il flusso nel nucleo - non appare nell'uscita secondaria. Tutta la corrente magnetizzante viene prelevata dal primario ma nessuna di essa raggiunge il carico. Maggiore è la corrente magnetizzante rispetto alla corrente primaria, maggiore è l'errore di rapporto. I nuclei in nichel-ferro e nanocristallini, con la loro altissima permeabilità, richiedono una corrente di magnetizzazione molto inferiore rispetto ai nuclei in silicio-acciaio e quindi raggiungono errori di rapporto inferiori a parità di sezione trasversale del nucleo.

Errore di spostamento di fase

Lo sfasamento è la differenza angolare, misurata in minuti d'arco, tra il fasore della corrente primaria e il fasore della corrente secondaria (invertiti per direzione). Lo sfasamento è particolarmente importante nella misurazione del fattore di potenza e dell'energia perché anche un piccolo errore angolare introduce un errore dipendente dal coseno nei calcoli dei wattora. Uno sfasamento di 10 minuti su un carico con fattore di potenza 0,5 può produrre un errore di misurazione dell'energia di circa lo 0,5%.

Onere e il suo effetto sulla precisione

Il secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

Prestazioni armoniche

Nelle installazioni di azionamenti a velocità variabile, nei forni ad arco e nei sistemi di alimentazione dei data center, la corrente primaria contiene un contenuto armonico significativo, spesso alla 5a, 7a, 11a e 13a armonica. I nuclei standard in acciaio-silicio presentano perdite crescenti e distorsione dell'angolo di fase alle frequenze armoniche. I nuclei nanocristallini e amorfi, con la loro curva di permeabilità piatta che si estende fino a diversi kilohertz, forniscono una precisione sostanzialmente migliore sulle forme d'onda distorte e sono la scelta preferita per gli analizzatori di qualità della potenza di classe A.

Alloggiamento esterno e configurazioni di montaggio

Il enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

Custodia sagomata per montaggio a pannello

I TA a bassa tensione per i pannelli di misurazione sono quasi universalmente prodotti in custodie in poliestere rinforzato con fibra di vetro (GRP) o policarbonato formate mediante stampaggio a iniezione attorno al nucleo in resina colata. La custodia integra alette di montaggio o clip per guida DIN, morsettiere secondarie classificate per la corrente di uscita prevista e contrassegni di polarità (P1/P2 per primario, S1/S2 per secondario) secondo gli standard IEC.

Trasformatori di corrente del tipo a passante

I TA passanti sono gruppi a forma di anello progettati per scorrere sulla boccola in porcellana o polimero di un trasformatore di potenza o di un interruttore automatico. Non hanno un alloggio proprio; vengono invece fissati tra la flangia della boccola e il coperchio del serbatoio del trasformatore. I trasformatori passanti sono tra i design più compatti, poiché è il passante stesso a fornire il conduttore primario e l'isolamento della tensione.

Disegni per esterni in porcellana e isolamento in polimero

I trasformatori di corrente esterni a media e alta tensione sono alloggiati in gruppi sigillati con capannoni isolanti compositi in porcellana o gomma siliconica. Il profilo a shed è progettato per mantenere un'adeguata distanza di dispersione in condizioni di inquinamento: lo standard IEC richiede una dispersione minima di 16 mm/kV per ambienti leggermente inquinati e fino a 31 mm/kV per siti fortemente inquinati. Gli alloggiamenti compositi in gomma siliconica hanno ampiamente sostituito la porcellana nelle nuove installazioni grazie al peso più leggero, alle prestazioni di inquinamento superiori in ambienti contaminati e alla resistenza alla frattura fragile.

Integrazione dei trasformatori di corrente nei sistemi di misurazione

Un sistema di misurazione della corrente completo coinvolge il TA, il cablaggio di interconnessione e lo strumento ricevente. Il trasformatore di corrente apribile Per questo motivo è spesso la scelta preferita nei progetti di retrofit dei contatori: può essere installato senza interrompere il servizio. Una volta installato, il secondario CT si collega a contatori di energia, analizzatori di potenza o relè di protezione tramite circuiti CT dedicati, che devono essere mantenuti sempre chiusi durante il funzionamento per evitare pericolose condizioni di sovratensione secondaria.

Standard di precisione e designazioni di classe

Le classi di precisione del trasformatore di corrente sono definite da standard internazionali e regionali. I due più citati sono IEC 61869-2 (ex IEC 60044-1) e IEEE C57.13. Comprendere le designazioni delle classi aiuta a specificare il CT giusto per l'applicazione.

Classi di misurazione IEC

La norma IEC 61869-2 definisce le classi di precisione di misurazione come 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 e 3. Il suffisso "S" (speciale) indica una precisione estesa a bassa corrente: in particolare, il TA deve soddisfare le specifiche di errore del rapporto fino all'1% della corrente nominale anziché al 5% standard. Le classi 0.5S e 0.2S sono richieste per i contatori di energia a livello di reddito in molti quadri normativi, poiché i carichi spesso funzionano ben al di sotto del 100% della corrente primaria nominale del TA.

Classi di protezione IEC

I TA con classe di protezione sono designati dal fattore limite di precisione (ALF) e dal comportamento del punto di ginocchio. Classe 5P e 10P sono le designazioni standard, dove il numero indica l'errore composito massimo al fattore limite di precisione nominale. Un TA 5P20 mantiene un errore composito non superiore al 5% quando la corrente primaria è 20 volte la corrente nominale: la condizione necessaria per il funzionamento affidabile dei relè di sovracorrente durante condizioni di guasto.

Classi IEEE

Il IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

Domande frequenti