Perché il concetto di "tensione di ginocchio" è fondamentale per le prestazioni del trasformatore di corrente di protezione?

16 10, 2025

Nell’intricato mondo dei sistemi elettrici, la sicurezza e l’affidabilità non sono semplicemente attributi desiderabili; sono requisiti fondamentali e non negoziabili. Al centro di questa infrastruttura di protezione si trova un dispositivo apparentemente semplice: il trasformatore di corrente di protezione . La sua funzione primaria è quella di ridurre con precisione le correnti primarie elevate a valori secondari standardizzati di basso livello, fornendo un segnale sicuro e gestibile per i relè di protezione. Tuttavia, la vera misura di a trasformatore di corrente di protezione non è la sua prestazione durante le normali condizioni operative, ma il suo comportamento durante gli eventi più gravi e anomali, quando correnti di guasto, che possono essere decine di volte superiori al normale, attraversano il sistema. È in queste circostanze estreme che il concetto di tensione al punto di ginocchio passa da una specifica tecnica su una scheda tecnica al fattore determinante tra un evento di protezione riuscito e un guasto catastrofico del sistema.

Comprensione della funzione principale di un trasformatore di corrente di protezione

Prima di analizzare la tensione di ginocchio, è essenziale comprendere appieno il ruolo cruciale del dispositivo stesso. A trasformatore di corrente di protezione è un trasformatore di misura progettato per isolare e fornire una replica ridotta e proporzionale della corrente primaria a relè di protezione e altre apparecchiature ausiliarie. A differenza della sua controparte, la misurazione trasformatore di corrente , che è ottimizzato per la precisione all'interno di una banda ristretta di correnti di carico normali, il trasformatore di corrente di protezione è progettato per uno scopo molto diverso. Le sue prestazioni sono giudicate dalla capacità di riprodurre fedelmente la forma d'onda della corrente primaria anche quando il sistema è soggetto a correnti di guasto transitorie di elevata ampiezza. Questo segnale riprodotto è l'unica fonte di informazione per il relè, che è il cervello del sistema di protezione. Il relè analizza questo segnale e decide se far scattare o meno un interruttore automatico, isolando così il guasto.

L'ambiente operativo per a trasformatore di corrente di protezione è quindi eccezionalmente impegnativo. Deve rimanere passivo e preciso durante decenni di normale servizio, ma attivarsi in modo impeccabile e ad alta fedeltà entro pochi millisecondi dal verificarsi di un guasto. Qualsiasi distorsione o guasto nel segnale della corrente secondaria può portare a un funzionamento errato del relè. Tali operazioni errate possono assumere due forme pericolose: un falso viaggio, in cui una sezione sana della rete viene inutilmente disconnessa, causando tempi di inattività e potenziale stress delle apparecchiature; o un mancato intervento, in cui un guasto reale non viene risolto, consentendogli di persistere e causare ingenti danni a trasformatori, quadri e altri beni costosi. L’integrità dell’intera catena di protezione dipende dal trasformatore di corrente di protezione di evitare uno stato noto come saturazione, ed è proprio qui che la tensione critica diventa il personaggio centrale della narrazione.

Definizione della tensione del punto di ginocchio: un concetto fondamentale

Dentro termini più semplici, il tensione al punto di ginocchio è un valore di tensione specifico sulla curva caratteristica di eccitazione di a trasformatore di corrente di protezione che segna il passaggio dalla regione lineare alla regione satura del funzionamento magnetico del nucleo. Per capirlo, è necessario visualizzare il funzionamento interno del trasformatore. La corrente primaria crea un flusso magnetico nel nucleo, che poi induce la corrente secondaria nell'avvolgimento. Una piccola parte della corrente primaria, tuttavia, viene utilizzata per “eccitare” il nucleo stesso: questa è la corrente magnetizzante.

Quando la tensione secondaria è bassa, il nucleo è lontano dalla saturazione. La corrente magnetizzante è trascurabile e quasi tutta la corrente primaria viene trasformata sul lato secondario. Questa è la regione di funzionamento lineare o proporzionale. Quando la tensione secondaria aumenta, in genere a causa di un'elevata corrente di guasto primaria che fluisce attraverso il carico collegato (il relè e l'impedenza del cablaggio), il nucleo richiede più corrente magnetizzante. Il tensione al punto di ginocchio è formalmente definito, secondo gli standard internazionali come la IEC 61869, come il punto della curva di eccitazione dove un aumento del 10% della tensione secondaria richiede un aumento del 50% della corrente di eccitazione. Oltre questo punto, il nucleo comincia a saturarsi.

Quando il nucleo si satura, la sua permeabilità diminuisce drasticamente. Non può più supportare un aumento significativo del flusso magnetico. Di conseguenza, è necessario un massiccio aumento della corrente magnetizzante anche per un piccolo aumento del flusso. Questa corrente magnetizzante è effettivamente una perdita; non è più disponibile per essere trasformata in corrente secondaria. Il risultato è una forma d'onda della corrente secondaria gravemente distorta che ha poca somiglianza con la corrente di guasto primaria. Il relè, ricevendo questo segnale distorto, potrebbe non essere in grado di identificare correttamente il guasto, portando ad un potenziale mancato funzionamento. Pertanto, il tensione al punto di ginocchio non è solo un numero; è la soglia di tensione che definisce il limite superiore della riproduzione fedele del segnale per un dato trasformatore di corrente di protezione .

Il collegamento diretto tra tensione di ginocchio e saturazione

Il rapporto tra tensione al punto di ginocchio e la saturazione è diretta e causale. La saturazione è il fenomeno che a trasformatore di corrente di protezione è specificamente progettato per evitare o ritardare l'intervento del relè. Il tensione al punto di ginocchio è il parametro di progettazione chiave che determina quando si verificherà questa saturazione in un dato insieme di condizioni.

La tensione sviluppata ai capi dei terminali secondari di a trasformatore di corrente di protezione è il prodotto della corrente secondaria per la potenza totale collegata (V _s = Io _s ×Z _b ). Durante un guasto, la corrente secondaria (I _s ) può essere molto elevato. Se l’onere totale (Z _b ), che comprende l'impedenza del relè e la resistenza dei cavi di collegamento, è significativa, la tensione secondaria risultante (V _s ) può essere sostanziale. Se questo calcola V _s in condizioni di guasto massime si avvicina o supera quella del trasformatore tensione al punto di ginocchio , il nucleo entrerà in saturazione.

Una volta in saturazione, la forma d'onda della corrente secondaria viene gravemente interrotta. Invece di un'onda sinusoidale pulita, il relè vede una forma d'onda con picchi appiattiti e un alto contenuto di armoniche. Questa distorsione ha diversi effetti dannosi sulle prestazioni della protezione. Per esempio, relè elettromeccanici potrebbero subire una riduzione della coppia, impedendo loro di chiudere i contatti. Relè digitali o numerici , che spesso fanno affidamento sulla componente fondamentale della corrente per i loro algoritmi, potrebbero ricevere misurazioni imprecise. Algoritmi per protezione differenziale , che confrontano le correnti alle due estremità di una zona protetta, possono essere sbilanciati se presenti trasformatore di corrente si satura e l'altro no, provocando un falso viaggio. Il tensione al punto di ginocchio , quindi, funge da cuscinetto. Un livello sufficientemente alto tensione al punto di ginocchio assicura che la tensione secondaria richiesta per pilotare la corrente di guasto attraverso il carico rimanga ben all'interno della zona operativa lineare del nucleo, prevenendo la saturazione e garantendo un segnale di corrente accurato per i primi cicli critici del guasto quando il relè deve prendere la sua decisione.

Il ruolo critico nei regimi di protezione specifici

L'importanza del tensione al punto di ginocchio viene ulteriormente amplificato se esaminato nel contesto di schemi di protezione specifici e ad alte prestazioni. Diversi schemi hanno sensibilità diverse a trasformatore di corrente prestazioni, specificando correttamente le prestazioni tensione al punto di ginocchio una decisione ingegneristica critica.

In protezione differenziale , che viene utilizzato per proteggere generatori, trasformatori e sbarre, il principio si basa sull'attuale legge di Kirchhoff: la somma delle correnti che entrano in una zona protetta dovrebbe essere zero. Se a trasformatore di corrente di protezione da un lato si satura durante un guasto esterno (guasto fuori zona), fornirà una corrente falsamente bassa o distorta. Il relè rileverà uno squilibrio che simula un guasto interno e potrebbe emettere un comando di intervento errato. Per evitare ciò, il tensione al punto di ginocchio di tutti trasformatore di correntes in uno schema differenziale devono essere sufficientemente elevati e abbinati in modo appropriato per garantire che tutti si comportino in modo simile in condizioni di guasto passante, mantenendo così la stabilità.

Per protezione della distanza , utilizzato sulle linee di trasmissione, il relè calcola la distanza fino a un guasto in base alla tensione e alla corrente misurate. Trasformatore di corrente la saturazione può distorcere la corrente in ingresso, portando ad un calcolo errato dell'impedenza. Ciò può far sì che il relè non raggiunga il limite (non rilevi un guasto all'interno della sua zona designata) o superi il limite (veda un guasto oltre la sua zona), compromettendo la selettività del sistema di protezione. Un alto tensione al punto di ginocchio garantisce che il segnale corrente rimanga puro per una misurazione accurata dell'impedenza.

Inoltre, nelle applicazioni che coinvolgono protezione sbarre ad alta impedenza , il principio di funzionamento stesso si basa su tensione al punto di ginocchio . Questo schema è progettato per essere stabile per guasti esterni, anche se uno o più trasformatore di correntes saturare, utilizzando un resistore stabilizzatore e un resistore di impostazione della tensione. La selezione di questi componenti è direttamente basata su tensione al punto di ginocchio del trasformatore di correntes utilizzato nel circuito. In questo caso, il tensione al punto di ginocchio non è solo un fattore limitante ma parte integrante della progettazione e del coordinamento dell’algoritmo di protezione.

Fattori chiave che influenzano la selezione della tensione di ginocchio

Selezionando un trasformatore di corrente di protezione con un appropriato tensione al punto di ginocchio è un processo sistematico che richiede un'analisi approfondita dell'applicazione. Non si tratta semplicemente di selezionare il valore più alto disponibile, poiché ciò può portare ad apparecchiature inutilmente grandi e costose. La selezione si basa su un'attenta considerazione di diversi fattori interdipendenti, che per chiarezza possono essere riassunti nella tabella seguente.

Il calcolo generale per garantire la trasformatore di corrente di protezione non saturare comporta verificare che sia tensione al punto di ginocchio è maggiore del prodotto della corrente di guasto secondaria massima e del carico totale. Ciò garantisce che la tensione richiesta per condurre la corrente di guasto attraverso il carico rimanga al di sotto della soglia di saturazione. I pianificatori di sistema e gli ingegneri della protezione eseguono questi studi meticolosamente per specificare il corretto tensione al punto di ginocchio , garantendo la trasformatore di corrente di protezione svolgerà il proprio compito nelle peggiori condizioni di guasto del sistema.

Conseguenze di una specifica errata della tensione del punto di ginocchio

Le conseguenze del trascurare il tensione al punto di ginocchio durante il processo di specifica e selezione può essere grave, portando direttamente a un compromesso nella sicurezza e nell’affidabilità del sistema. Un specificato in modo errato tensione al punto di ginocchio è un difetto latente che può rimanere nascosto per anni, rivelandosi solo in caso di guasto grave, quando il sistema di protezione è maggiormente necessario.

Tensione del punto di ginocchio sottospecificata: Questo è il più pericoloso dei due errori. Se il tensione al punto di ginocchio è troppo basso per l'applicazione, il trasformatore di corrente di protezione si saturerà prematuramente durante un guasto di elevata magnitudo. Come discusso, la corrente secondaria distorta risultante può causare un funzionamento errato del relè. Un mancato intervento può portare alla distruzione dell'apparecchiatura a causa dell'energia di guasto persistente, con il rischio di incendi, esplosioni e interruzioni prolungate dell'alimentazione. Un falso intervento può destabilizzare la rete, causare interruzioni inutili per i clienti e potenzialmente portare a un guasto a cascata su tutta la rete. Il costo economico di tali eventi, dai danni alle apparecchiature alla perdita di entrate dovuta ai tempi di inattività, può essere astronomico.

Tensione del punto di ginocchio sovraspecificata: Anche se meno immediatamente pericoloso di uno sottospecificato, eccessivamente alto tensione al punto di ginocchio comporta anche degli svantaggi. Un più alto tensione al punto di ginocchio in genere richiede una sezione trasversale del nucleo più grande o l'uso di materiali del nucleo più avanzati. Ciò si traduce direttamente in un modello più grande, più pesante e più costoso trasformatore di corrente di protezione . Può anche portare a una corrente di eccitazione più elevata a tensioni operative normali che, sebbene generalmente non sia un problema per le applicazioni di protezione, può rappresentare un fattore di costo non necessario. Pertanto, l'obiettivo dell'ingegnere non è massimizzare il tensione al punto di ginocchio , ma per ottimizzarlo, ovvero per selezionare un valore che fornisca un margine sicuro al di sopra dello scenario peggiore senza incorrere in costi di materiali e installazione non necessari.

Conclusione: la chiave di volta dell'affidabilità della protezione

In conclusione, il tensione al punto di ginocchio è molto più di un parametro tecnico esoterico riportato sulla scheda tecnica di un trasformatore. È la caratteristica progettuale fondamentale che definisce il limite prestazionale di a trasformatore di corrente di protezione . È il fattore critico che determina se il dispositivo rimarrà un sensore trasparente e ad alta fedeltà o diventerà una fonte di pericolosa distorsione del segnale durante i momenti più vulnerabili del sistema di alimentazione. Dettando l'inizio della saturazione del nucleo, il tensione al punto di ginocchio influenza direttamente l’affidabilità, la sicurezza e la velocità dell’intero sistema di protezione.

Una profonda comprensione di questo concetto è indispensabile per tutte le parti interessate coinvolte nel settore energetico, dai progettisti di sistemi e ingegneri di protezione agli acquirenti e ai grossisti che specificano e forniscono questi componenti vitali. Specificando a trasformatore di corrente di protezione con un appropriato tensione al punto di ginocchio , calcolato sulla base di un'analisi approfondita della corrente di guasto massima, del carico connesso e dei parametri di sistema, è un passo non negoziabile per garantire la sicurezza del personale, la protezione di beni di valore e la stabilità complessiva della rete elettrica. È la chiave di volta su cui viene costruita una protezione elettrica affidabile.