Il design ed il test dei trasformatori di corrente, sono regolamentatati dagli standard IEC 61869-2:2012 (sostituiscono la IEC 60044-1:1996)
Il principio di un trasformatore di corrente è lo stesso di un trasformatore qualsiasi, si ha un avvolgimento primario ed uno secondario. L’alternanza del passaggio di corrente nell’avvolgimento promario induce nell’avvolgimento secondario un passaggio di corrente indotta proporzionale a quella primaria con uno sfasamento prossimo allo zero.
L’avvolgimento primario può essere composto da una singola spira o da un numero sempre ridotto di spire, l’avvolgimento secondario avrà un numero di spire di molto superiore in funzione del rapporto spir edesiderato. Il rapporto di trasformazione sarà quindi il rappporto tra la corrente primaria nominale e quella secondaria.
Qui sotto un esempio che mostra il singolo avvolgimento primario da 10A e il trasformatore di corrente secondario con 1000 giri di avvolgimento collegato alla resistenza da 100 Ω.
Ip = 10
Is = 10/1000 = 10 mA
Vb = 10 mA × 100 = 1 V
L’avvolgimento secondario viene collegato ad una resistenza di carico calcolata in base all’avvolgimento secondario.
In un trasformatore di corrente ideale, la corrente nell’avvolgimento secondario viene trasmessa al secondario senz sfasamenti o errori. Tuttavia, in condizioni normali, si verificherà un errore nel rapporto di corrente e uno sfasamento tra le correnti primaria e secondaria.
Errore nel rapporto di corrente
Errore percentuale del rapporto di corrente si calcola con la seguente formula :
Dove:
Kn = Rapporto di trasformazione
Ip = Corrente priamria attuale
Is = Corrente secondaria attuale quando Ip è sotto misura
Lo sfasamento
Lo sfasamento è la differenza tra la fase primaria e quella secondaria
θ=in un trasformatore ideale lo sfasamento parte con un angolo di errore pari a zero .
Dove:
I1 = Corrente primaria
I2 = Corrente secondaria
N = Avvolgimenti secondari
Im = Corrent edi eccitazione
Ir = Componente reattiva di Im
Iw = Perdita Watts della componente Im
V = Tensione secondaria
R2 = Resistenza di carico Ω
θ = Errore angolo di fase
e = Errore del rapporto di corrente
Nel diagramma, la corrente primaria I1 differisce dalla secondaria I2 in ampiezza e fase.
L’errore d’angolo θ è Sin-1 Ir/I1 e l’ampiezza di I1 = √{ (I2N2 + Iw)2 + Ir2 }
In pratica l’angolo è così piccolo da consentire approssimazioni:
θ = Ir/I1 radiante e I1 = I2N2 + Iw
i.e. the current error is due to the watts loss component and phase angle is proportional to the reactive component Ir.
L’errore del rapporto di corrente, può venire corretto aumentando o diminuendo il numero di spire del secondario.
L’angolo di fase non può venire corretto in quanto è una funzione intrinseca della componente reattiva delle caratteristiche di eccitazione del nucleo
Classe di accuratezza
La classe di accuratezza vien eassegnat ad un trasformatore d corrente quando gli errori rimangono entro i limiti specificati nelle condizioni d’uso prescritte.
Per esempio, se la classe del trasformatore di corrente è 1, allora il rappporto di errore sarà ±1% rispetot al valore primario.
Nel caso di trasformatori di corrente per misurazione, l aclasse di accuratezz atipica è di 0.1, 0.2, 0.5, and 1
Per le classi 0.1, 0.2, 0.5, e 1, l’errore di corrente fase non possono eccedere i valori indicati nella tabella 201 qualndo il valore della resistenza di carico ha un valore dal 25% al 100% del carico indicato.
Tipi di trasformatori di corrente e loro applicazione
Misurazione standard con CT
Le misurazioni standard con i trasformatori di corrente, possono venire efffettuate con amperometri per la misurazione di correnti elevate riducendone il valore a 5A o 1A grazie al rapporto spire.
La serie FSD 200/5A di trasformatori dicorrente, viene usat ain abbinamento agli amperometri a ferro mobile con scala da 0A a 200A. Gli amperometri sono claibrati per un fondo scala (FSD) che si raggiunge con una corrente in uscita dal trasformatore di 5A.
La resistenza di carico R del secondario del TA, dovrebbe avere un valore più basso possibile per garantire un cortocircuito vicino al limite della corrente secondaria del trasformatore di corrente. Il carico R utilizzato in combinazione con un voltmetro, dovrebbe essere il più basso possibile per mantenere bassa la tensione secondaria in uscita dal TA e aumentare la precisione.
Tipicamnete i valori di potenza in VA dei trasformatori di corrente standard sono 2,5,5 e 10 VA, È importante che il trasformatore di corrente raggiunga un livello di saturazione tale da garantire la sicurezza dello strumento di misura in caso di corrente superiore a quella nominale dello strumento stesso o in presenza di condizioni di guasto.
Se l’amperometro viene scollegato dal circuito secondario, si ottiene un circuito secondario aperto ed il trasformatore di corrente si comporterà come un trasformatore step-up. Non essendoci una corrente opposta sul secondario, il flusso magnetico del nucleo porterà una tensione elevata sul secondario.
Questo si trasformerà in una tensione indutta molto elevata sul secondario dall’avvolgimento primario ed equivalente al rapporto spire Vp × (Ns/Np)
Per tale ragione, al fin edi prevenir epossibili danni o pericoli, un trasforamtore di corrente non deve mai venire lasciato privo del carico sul secondario (amperometro o resistenza di carico)
Rapporto spire
Il rapporto spire di un trasformatore di corrente, può venire alterato realizzando un numero maggiore di avvolgimenti primari. L’esempio riportato qui sotto mostra come un TA 300/5A può venire modificato per misurare correnti minori da 150/5A o da 100/5A realizzando 2 o 3 passaggi del filo attraverso il secondario, modifcnado quindi il rapproto spire a 60:1 o 20:1. Questo metodo consent eanche di poter misurare con lo stesso trasformatore di corrente, correnti minori a quelle del dato di targa del trasformatore.
i limiti del rapporto di errore per la classe 3 e classe 5 dei trasformatori di corrente è riportata qui sotto.
Il rapporto di errore è rispettivamente del 3% e del 5%, senza avere spostamento di fase ± .
Applicazioni della classe 3 e della classe 5 dei trasformatori di corrente, include :
- Protezione dai sovracarichi
- Monitoraggio della corrente nei generatori anche trifase
- Controllo dei dispositivi
- Pannelli di controllo
- Controllo e monitoraggio dei sistemi di commutazione
- Distribuzione energetica
CT di misurazione
I trasformatori di corrente per la misurazione sono progettati per misurare la corrente primaria in modo continuo e funzionare con precisione entro l’intervallo di corrente nominale. I limiti di errore nella misura di corrente e di sfasamento, sono determinati dalla classe di precisione. Le classi di precisione sono: 0,1, 0,2, 0,5 e 1.
L’utilizzo nei wattmetri, nei contatori di energia e nei misuratori del fattore di potenza, uno sfasamento tra primario e secondario produce errori nella misurazione. L’introduzione dei contatori elettronici di potenza ed energia, ha consentito di calibrare la misurazione correggendo l’errore di fase della corrente.
Quando la corrente primaria supera il valore nominale del trasformatore, il TA di misura si saturerà, limitando così il livello di corrente trasferito verso lo strumento. I materiali del nucleo per questo tipo di TA devono quindi avere bassi livelli di saturazione come ad esempio i nuclei nanocristallini. Consentono pertanto una precisione tipica pari a 0,1%-0,2%
CT di protezione
Un trasformatore di corrente per la protezione di apparati, è progettato per funzionare con un ampio intervallo di sovracorrente. Questo consente ai sistemi di protezione, di misurare accuratamente le correnti di guasto, anche in condizioni di corrente molto elevata. La corrente secondaria viene spesso utilizzata per azionare un relè di protezione atto a isolare la parte del circuito di alimentazione interessata dalla condizione di guasto.
I nuclei utilizzati per tipo di trasformatori di corrente hanno livelli di saturazione molto elevati e sono realizzati normalmente con acciai a base di silicio.
Tensione del punto di ginocchio
Oltre il ginocchio superiore del punto K di saturazione , dobbiamo aumentare la corrente in misura maggiore per ottenere un aumento della tensione in uscita, perché la curva, oltre il punto K, diventa non lineare. La tensione nel punto K (Vk) è chiamata tensione del punto del ginocchio.
La tensione sino al punto di ginocchio K dei trasformatori di corrente, viene definita come la tensione alla quale, ad un incremento del 10% della tensione secondaria, risulta un incremento della corrente secondaria pari al 50%. Questo significa che un aumento della corrente del 50% comporterà un aumento in tensione secondaria pari al 10%.
Il punto del ginocchio, è molto importante dove i sensori vengono utilizzati per la protezione dei sistemi.
Le classi standard dei TA di protezione, sono la 5P-10 e 10P-10, dove P è la sigla per la protezione. La cifra prima di P indica la percentuale di errore composito. Il numero dopo la lettera indica il fattore di corrente primaria fino al quale si raggiunge l’errore composito, ovvero 10 volte la corrente primaria nominale sia in 5P che 10P.
