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I trasformatori di corrente servono a due scopi fondamentalmente diversi nei sistemi di energia elettrica: la misurazione delle entrate e la protezione dai guasti. Ciascuna applicazione richiede caratteristiche prestazionali specifiche, motivo per cui esistono classi di precisione dei TA. Un TA di misurazione ottimizzato per la precisione di fatturazione con correnti di carico normali si guasta in condizioni di guasto. Un TA di protezione progettato per funzionare durante eventi di sovracorrente 20× non ha la precisione necessaria per il calcolo dei ricavi.
Questa guida analizza le denominazioni delle classi di precisione IEC 61869-2, spiega le differenze tecniche tra le classi di misurazione (0,1, 0,2, 0,5) e le classi di protezione (5P, 10P) e fornisce una guida pratica alla scelta per le applicazioni in media tensione.
La classe di precisione di un TA è una designazione standardizzata che definisce l'errore di misura massimo consentito in condizioni operative specifiche. Il numero della classe indica direttamente l'errore percentuale consentito alla corrente nominale, con specifiche aggiuntive per lo spostamento di fase e il comportamento in condizioni di guasto.
Esistono due sistemi di classificazione distinti. Le classi di misurazione (0,1, 0,2, 0,5, 1,0) ottimizzano la precisione per le normali correnti di funzionamento, tipicamente da 5% a 120% della corrente nominale. Le classi di protezione (5P, 10P) danno priorità alle prestazioni in condizioni di guasto, mantenendo la precisione a multipli di corrente molto superiori al normale funzionamento.
La distinzione è importante perché questi requisiti sono in conflitto dal punto di vista fisico. L'accuratezza della misurazione richiede materiali del nucleo ad alta permeabilità che si saturano rapidamente durante i guasti. L'affidabilità della protezione richiede nuclei più grandi che resistono alla saturazione, ma sacrificano la precisione delle basse correnti. Un TA non può eccellere in entrambe le cose.
Gli errori dei trasformatori di corrente derivano dalla corrente di magnetizzazione necessaria per stabilire il flusso del nucleo. Questa corrente rappresenta energia deviata dal processo di trasformazione ideale, creando due deviazioni misurabili.
Errore di rapporto (ε) quantifica la differenza percentuale tra il rapporto di trasformazione effettivo e quello nominale. Un TA da 1000/5 A potrebbe in realtà erogare 4,98 A con un primario da 1000 A, con un errore nel rapporto di 0,4%. Questo errore varia in base all'entità della corrente primaria e al carico collegato.
Spostamento di fase (δ) misura la differenza angolare tra i fasori della corrente primaria e secondaria, espressa in minuti d'arco. La trasformazione ideale produce uno sfasamento nullo; i TA reali presentano piccoli spostamenti dovuti ai requisiti della corrente di magnetizzazione.
I materiali del nucleo influenzano in modo significativo il comportamento della CT. I nuclei in acciaio al silicio a grani orientati funzionano tipicamente a densità di flusso massime di 1,5-1,8 T (Tesla), mentre i nuclei nanocristallini ottengono perdite inferiori a densità di flusso intorno a 1,2 T. Il carico nominale, espresso in VA (volt-ampere), determina il carico massimo che il TA può fornire mantenendo la precisione, con valori standard che vanno da 2,5 VA a 30 VA per le applicazioni di misurazione.
Entrambi gli errori devono rimanere entro i limiti specifici della classe in tutto il campo di funzionamento. Per i TA di misura di Classe 0.2, l'errore di rapporto non può superare ±0,2% e lo spostamento di fase deve rimanere al di sotto di ±10 minuti alla corrente nominale. Le classi di protezione consentono errori maggiori, fino a ±1% in condizioni normali, ma mantengono questi limiti a multipli di corrente molto più elevati.
Le classi di precisione dei contatori privilegiano la precisione alle normali correnti di funzionamento, dove vengono effettuati i calcoli di fatturazione. La norma IEC 61869-2 definisce queste classi attraverso i limiti di errore di rapporto e di spostamento di fase in più punti di test.
| Classe | Errore di rapporto a 100% In | Spostamento di fase | Gamma di precisione | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | ±0,1% | ±5 min | 5-120% | Standard di riferimento per il laboratorio |
| 0.2 | ±0,2% | ±10 min | 5-120% | Misurazione dei ricavi di trasmissione |
| 0.2S | ±0,2% | ±10 min | 1-120% | Misurazione dei ricavi a carico variabile |
| 0.5 | ±0,5% | ±30 min | 5-120% | Misurazione della sottostazione di distribuzione |
| 0.5S | ±0,5% | ±30 min | 1-120% | Misurazione dei ricavi industriali |
| 1.0 | ±1,0% | ±60 min | 5-120% | Strumenti indicatori |
Il suffisso “S” indica una precisione estesa a basse correnti. Le classi standard mantengono la precisione specificata da 5% a 120% di corrente nominale. Le classi 0,2S e 0,5S estendono questo intervallo fino a 1% di corrente nominale, essenziali per gli impianti con carichi variabili in cui la precisione della fatturazione a carico leggero incide sui ricavi.
Nel lavoro di messa in servizio degli impianti industriali, abbiamo riscontrato che le specifiche di 0,2S diventano critiche quando le fatture superano $50.000 mensili. Un errore di 0,3% con un carico di 10%, accettabile per la classe standard 0,5 ma al di fuori dei limiti di 0,2S, si accentua nei vari cicli di fatturazione.
Saturazione intenzionale distingue i nuclei di misurazione. Questi TA saturano a 2-5 volte la corrente nominale, limitando l'uscita del secondario durante i guasti. Ciò protegge i contatori collegati da eventuali danni, ma rende i TA di misura inadatti alle applicazioni di protezione in cui è importante la precisione della corrente di guasto.
[Expert Insight: Selezione del TA di misurazione].
- Specificare la classe 0,2S o 0,5S quando i carichi scendono regolarmente al di sotto di 20% del valore nominale del TA.
- Verificare che l'onere effettivo collegato rimanga al di sotto di 75% dell'onere nominale per una precisione ottimale.
- I moderni misuratori digitali presentano un carico di <1 VA - la conferma che il CT mantiene l'accuratezza con carichi leggeri
- Richiedete i certificati dei test di fabbrica che mostrino gli effettivi errori misurati, non solo la conformità alla classe.
Le classi di protezione seguono un sistema di notazione diverso che riflette la loro funzione principale: la misurazione accurata della corrente di guasto. La designazione “5P20” codifica tre parametri essenziali per il coordinamento dei relè.
| Classe | Errore composito in ALF | Valori comuni dell'ALF | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|
| 5P | ≤5% | 10, 15, 20, 30 | Relè di protezione primaria, schemi differenziali |
| 10P | ≤10% | 10, 15, 20 | Protezione di backup, relè di sovracorrente |
Il Fattore limite di precisione determina il multiplo massimo di corrente di guasto in cui il TA mantiene un'uscita lineare. Un TA 5P20 con valore nominale primario di 1000 A funziona con precisione fino a 20.000 A di corrente primaria. Oltre questa soglia, la saturazione del nucleo distorce la forma d'onda secondaria, causando potenzialmente il malfunzionamento del relè.
Le classi di protezione seguono un sistema di designazione diverso: il numero prima della “P” indica il limite di errore composito in percentuale. Un TA di classe 5P20 consente un errore composito fino a ±5% e mantiene la precisione fino a 20 volte la corrente nominale (il fattore di limite di precisione, o ALF). I TA di protezione devono riprodurre con precisione correnti di guasto comprese tra 2 kA e 63 kA, a seconda dei requisiti del sistema.
Calcolo ALF per una corretta specificazione:
ALF richiesto ≥ Corrente massima di guasto ÷ Corrente primaria nominale del TA
Per un livello di guasto di 12,5 kA con TA da 500/5 A:
ALF richiesto ≥ 12.500 ÷ 500 = 25
Un rating di 5P20 è insufficiente; specificare 5P30 per fornire un margine adeguato.
I nuclei di protezione utilizzano sezioni trasversali più grandi e materiali a più alta saturazione rispetto ai nuclei di misura. Ciò ritarda la saturazione magnetica, assicurando che i relè ricevano segnali precisi della corrente di guasto. Il compromesso è una minore precisione alle normali correnti di funzionamento, con un errore di rapporto di ±1% rispetto a ±0,2% per le classi di misurazione.
Le filosofie di progettazione fondamentali sono in conflitto. La comprensione di queste differenze impedisce un'applicazione errata.
| Parametro | CT di misurazione | Protezione CT |
|---|---|---|
| Funzione primaria | Fatturazione delle entrate, monitoraggio dell'energia | Rilevamento dei guasti, funzionamento dei relè |
| Intervallo di precisione | 1-120% di nominale (classe S) | Fino a ALF × corrente nominale |
| Specifiche di errore | Errore di rapporto + spostamento di fase | Errore composito |
| Comportamento di saturazione | Precoce (valutato 2-5×)-protettivo | Ritardo (fino a ALF × nominale) - essenziale |
| Design del nucleo | Acciaio più piccolo e ad alta permeabilità | Materiali più grandi e ad alta saturazione |
| Classi tipiche | 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1,0 | 5P10, 5P20, 10P10, 10P15 |
| Dispositivi connessi | Contatori di kWh, analizzatori di potenza | Relè di protezione, registratori di guasti |
Durante l'analisi dei guasti in un impianto di produzione, abbiamo osservato un TA di misurazione di classe 0,5 che forniva solo 15% di corrente di guasto effettiva al relè durante un guasto di 12 kA. Il nucleo di misurazione si è saturato quasi immediatamente, facendo collassare l'uscita secondaria mentre il guasto persisteva. Il funzionamento del relè è stato ritardato di 150 ms, un tempo sufficiente a causare un guasto al coordinamento a monte.
Questo scenario illustra perché i nuclei separati svolgono funzioni di misurazione e protezione in impianti progettati correttamente.
Il carico collegato influisce direttamente sulla precisione del TA. Il superamento del carico nominale degrada la precisione di misurazione e riduce l'ALF effettivo per i TA di protezione.
Calcolo dell'onere del piombo:
VA del conduttore = I²secondario × 2 × Rlead
Per secondario da 5 A con 50 m di cavo (rame da 2,5 mm², ~0,35 Ω unidirezionale):
VA del cavo = 25 × 2 × 0,35 = 17,5 VA
Questo spiega perché i secondari da 1 A sono adatti a lunghe tratte di cavo: il carico si riduce di 25× rispetto ai secondari da 5 A per un cavo identico.
Lista di controllo per la selezione:
[Expert Insight: Protection CT Specification]
- Le applicazioni con chiusura automatica richiedono un margine ALF aggiuntivo di 50% a causa degli effetti del flusso remanente.
- Gli schemi di protezione differenziale richiedono caratteristiche del TA abbinate: specificare tensioni di ginocchio identiche.
- I moderni relè numerici presentano un carico di <1 VA rispetto ai 15-30 VA dei tipi elettromeccanici - ricalcolare l'ALF effettivo
- Richiedere le curve di eccitazione ai produttori per verificare che la tensione del punto di ginocchio soddisfi i requisiti del relè.
La maggior parte degli impianti di media tensione richiede sia la misurazione che la protezione di ciascun alimentatore. I TA bipolari (o multipolari) risolvono questo problema incorporando nuclei magnetici separati avvolti sullo stesso conduttore primario.
Tipica specifica dual-core:
Ciascun nucleo è sottoposto a test indipendenti in base alla norma IEC 61869-2. Il nucleo di misurazione mantiene la precisione di fatturazione alle correnti normali, mentre si satura durante i guasti. Il nucleo di protezione conserva la fedeltà alla corrente di guasto per il funzionamento dei relè. Nessuno dei due compromette la funzione dell'altro.
Integrazione con interruttori in vuoto di media tensione richiede specifiche coordinate del TA. Il fattore limite di precisione del TA deve superare il potere di interruzione nominale dell'interruttore per garantire che i relè di protezione ricevano segnali accurati durante l'intera sequenza di eliminazione del guasto. Per i gruppi di interruttori, produttori di componenti in genere forniscono raccomandazioni sui TA abbinati a specifici valori nominali degli interruttori.
Quando si specificano i TA per le nuove installazioni, fornire al fornitore quanto segue:
L'esperienza sul campo in oltre 75 progetti di messa in servizio di sottostazioni rivela errori ricorrenti nelle specifiche.
Un TA di classe 0,5 si satura durante i guasti, fornendo segnali distorti ai relè di protezione. I tempi di intervento si allungano e il coordinamento fallisce.
Soluzione: Specificare sempre i nuclei di protezione dedicati con ALF superiore alla corrente di guasto massima ÷ corrente primaria del TA.
Le lunghe tratte dei cavi verso le sale relè aggiungono un carico di VA significativo, in particolare con i secondari da 5 A.
Soluzione: Calcolare il carico dei conduttori utilizzando la resistenza effettiva del cavo. Considerare un secondario da 1 A per tratte superiori a 30 m.
Caratteristiche disuguali del TA creano una falsa corrente differenziale, causando interventi spuri o il mancato funzionamento.
Soluzione: Specificare rapporti di TA identici, classi di precisione e tensioni del punto di ginocchio per tutti i TA nelle zone differenziali.
Dopo l'eliminazione iniziale del guasto, nel nucleo rimane una magnetizzazione residua. Quando si richiude un guasto persistente, questa rimanenza provoca una saturazione più precoce.
Soluzione: Specificare un ALF superiore 50% per le applicazioni con chiusura automatica o utilizzare progetti di nuclei antirimanenza.
Comprensione valori nominali degli interruttori automatici sottovuoto aiuta a coordinare le specifiche del TA con le capacità dell'interruttore: il TA deve mantenere la precisione per tutto l'intervallo di corrente di interruzione nominale dell'interruttore.
La designazione indica un TA di classe di protezione che mantiene un errore composito inferiore a 5% fino a 20 volte la corrente primaria nominale. Con un valore nominale di 400/5 A, questo TA fornisce una misura accurata della corrente di guasto fino a 8.000 A prima che la saturazione del nucleo comprometta l'uscita.
Questa configurazione rischia di compromettere la protezione. I nuclei di misurazione si saturano a 2-5 volte la corrente nominale, facendo collassare l'uscita secondaria proprio quando i relè hanno bisogno di segnali di guasto precisi. Nuclei di protezione separati con valori nominali ALF appropriati sono essenziali per un rilevamento affidabile dei guasti.
Scegliere 0,2S quando i carichi operano regolarmente al di sotto di 20% della corrente nominale del TA. La classe standard 0,2 garantisce la precisione solo da 5-120% della corrente nominale; la 0,2S la estende a 1-120%, mantenendo la precisione di fatturazione nei periodi di carico ridotto.
Il funzionamento al di sotto del carico nominale aumenta l'ALF effettivo: un TA 5P20 a metà carico ha prestazioni simili al 5P40. Tuttavia, alcuni modelli di TA presentano un aumento degli errori a carichi molto ridotti. Per ottenere prestazioni prevedibili, verificare che il carico effettivo sia compreso tra 25% e 100% del carico nominale.
La tensione del punto di ginocchio indica la tensione secondaria in cui la magnetizzazione del nucleo diventa non lineare, in particolare quando un aumento di tensione di 10% produce un aumento della corrente di magnetizzazione di 50%. I relè di protezione richiedono TA con una tensione del punto di ginocchio superiore alla tensione secondaria sviluppata durante le condizioni di guasto massimo per garantire una misura accurata.
La norma IEC 61869-2 utilizza classi di misurazione decimali (0,2, 0,5) e classi di protezione con designazione P (5P, 10P). IEEE C57.13 specifica le classi di misurazione come 0,3 e 0,6, con classi di protezione designate dalla capacità di tensione del terminale secondario (C100, C200). Per i progetti internazionali, specificare le classi IEC per evitare ambiguità di conversione.
La protezione dei condensatori richiede la misurazione accurata di correnti di squilibrio relativamente piccole piuttosto che di correnti di guasto elevate. La classe 5P10 fornisce in genere un ALF adeguato, mentre il nucleo di misurazione (se dual-core) dovrebbe essere di classe 0,5 o superiore per il monitoraggio della corrente del condensatore e l'analisi delle armoniche.
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Riferimento esterno: IEC 61869-2:2012 Trasformatori di strumenti - Requisiti aggiuntivi per trasformatori di corrente
