Che cos'è un trasformatore di corrente monofase-per interni? Come funziona?

I trasformatori di corrente sono strumenti fondamentali indispensabili per la misurazione, la protezione e il monitoraggio dei sistemi di alimentazione. Che si tratti di sale di distribuzione di fabbriche, sottostazioni o armadi di distribuzione di edifici, possono essere trovati quasi ovunque sia richiesta la misurazione della corrente. I trasformatori di corrente monofase per interni-, essendo il tipo più utilizzato, svolgono un ruolo cruciale nella conversione di grandi correnti nelle linee ad alta-tensione in correnti più piccole adatte per l'uso sicuro da parte di strumenti e relè. Questo articolo introdurrà sistematicamente la definizione, la struttura e il principio di funzionamento dei trasformatori di corrente monofase per interni-, aiutando i professionisti elettrici e i principianti a stabilire una chiara comprensione.

Un trasformatore di corrente (CT) è un dispositivo specializzato di misurazione e trasformazione. La sua funzione principale è convertire proporzionalmente le grandi correnti in un sistema di alimentazione in correnti standard più piccole. In genere, converte una grande corrente primaria in un'uscita standard da 5 A o 1 A sul lato secondario, garantendo l'uso sicuro di apparecchiature secondarie come strumenti di misurazione della potenza, amperometri, wattmetri e dispositivi di protezione relè.
Perché è necessaria questa conversione? Ci sono due ragioni: in primo luogo, la corrente di linea nei sistemi di alimentazione spesso raggiunge centinaia o addirittura migliaia di ampere, rendendo impossibile il collegamento diretto agli strumenti ordinari. In secondo luogo, le linee ad alta-tensione non possono essere collegate direttamente agli strumenti di misurazione; in caso contrario, gli operatori correrebbero il rischio di scosse elettriche. I trasformatori di corrente raggiungono l'isolamento elettrico attraverso il principio dell'induzione elettromagnetica, riducendo proporzionalmente la corrente e isolando completamente il lato ad alta-tensione dal circuito secondario a bassa-tensione, garantendo fondamentalmente la sicurezza del personale e delle apparecchiature di misurazione.

Indoor: Si riferisce ad un modello di trasformatore specificatamente studiato per ambienti di installazione indoor. La struttura isolante, il livello di protezione dell'involucro e la distanza di dispersione sono progettati per condizioni interne e non sono adatti per l'uso diretto in ambienti esterni umidi, sporchi o esposti alla pioggia.
Monofase-: significa che ciascun trasformatore misura la corrente di una sola linea di fase, con un'unità configurata per fase. In un sistema tri-fase, se è richiesta la misurazione della corrente trifase, in genere sono necessari due o tre trasformatori monofase- (a seconda del metodo di cablaggio). Rispetto ai trasformatori di corrente integrati trifase-, i trasformatori di corrente monofase- sono più piccoli e più flessibili nell'installazione, facilitandone il posizionamento in vari armadi di distribuzione, quadri di comando e scatole di misurazione.

I trasformatori di corrente monofase per interni- sono costituiti principalmente dalle seguenti parti dall'esterno verso l'interno:
1. Nucleo
Il nucleo è il nucleo del circuito magnetico del trasformatore, generalmente costituito da fogli di acciaio al silicio ad alta permeabilità-impilati, che formano un circuito chiuso di flusso magnetico. Il materiale e l'area della sezione trasversale del nucleo influiscono direttamente sulla classe di precisione e sulle caratteristiche di errore del trasformatore. I trasformatori di misurazione richiedono un'elevata permeabilità del nucleo e una bassa perdita di isteresi; i trasformatori di protezione danno priorità alla capacità del nucleo di prevenire la saturazione prematura in caso di guasti a corrente elevata-.
2. Avvolgimento primario (bobina primaria)
L'avvolgimento primario ha pochissime spire, solitamente solo una o poche spire, a volte formato direttamente da una barra collettrice o da un'asta di rame che passa attraverso il nucleo. L'avvolgimento primario è collegato in serie alla linea elettrica misurata e la grande corrente primaria scorre attraverso questo avvolgimento per generare un campo magnetico.
3. Avvolgimento secondario (Bobina secondaria) L'avvolgimento secondario ha più spire ed è avvolto attorno al nucleo di ferro. Raggiunge l'accoppiamento elettromagnetico con l'avvolgimento primario attraverso il campo magnetico del nucleo di ferro, inducendo una corrente secondaria. I due terminali dell'avvolgimento secondario sono solitamente contrassegnati con S1 e S2 (o K1 e K2) per il collegamento di strumenti esterni e relè.
4. Isolante L'isolante avvolge il nucleo di ferro e l'avvolgimento, isolando completamente il circuito primario ad alta-tensione dal circuito secondario a bassa-tensione. I metodi di isolamento comuni per i trasformatori di corrente per interni includono la colata in resina epossidica (colata monolitica, buon isolamento, struttura compatta) e l'avvolgimento di carta isolante con vernice (processo tradizionale, adatto per prodotti di grande-capacità).
5. Alloggiamento e staffa di montaggio L'alloggiamento è solitamente una fusione monolitica di resina epossidica o un alloggiamento di metallo. I metodi di installazione includono tipi passanti-a parete, su montante e con boccola, con forme diverse selezionate a seconda della posizione di installazione e della struttura del circuito.

Il principio di funzionamento dei trasformatori di corrente monofase per interni-si basa sulla legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica. La sua essenza è la stessa di un trasformatore, ma le condizioni operative sono significativamente diverse. Il processo di lavoro di base è il seguente:
Quando la corrente primaria I₁ scorre attraverso l'avvolgimento primario (N₁ spire) del circuito in prova, secondo la legge di Ampere, la corrente genera un flusso magnetico alternato Φ nel nucleo di ferro. Questo flusso magnetico alternato attraversa l'avvolgimento secondario con N₂ spire e, secondo la legge di induzione elettromagnetica di Faraday, una forza elettromotrice secondaria viene indotta nell'avvolgimento secondario, generando così una corrente secondaria I₂ nel circuito secondario collegato al carico (resistenza interna dello strumento).
La differenza fondamentale tra un trasformatore di corrente e un trasformatore è: un trasformatore funziona in condizioni quasi di-assenza-di carico o di carico e la tensione secondaria varia con il carico; mentre un trasformatore di corrente funziona normalmente con il lato secondario in uno stato di quasi-corto-circuito (con resistenza interna minima dello strumento) e la corrente secondaria ha una relazione proporzionale fissa con la corrente primaria, indipendentemente dalle dimensioni del carico. A causa di questa caratteristica il lato secondario di un trasformatore di corrente non deve mai funzionare a circuito aperto. Una volta aperto il-circuito, il flusso magnetico attraverso il nucleo aumenterà notevolmente a causa della perdita di ampere{7}}spire smagnetizzate sul lato secondario, portando alla sovrasaturazione-del nucleo e inducendo una tensione pericolosamente alta (fino a diversi kilovolt) sul lato secondario, mettendo seriamente a rischio la sicurezza delle apparecchiature e del personale.

Dopo aver compreso il principio di funzionamento, è necessario avere familiarità anche con i seguenti parametri chiave:
Rapporto di corrente nominale (rapporto di trasformazione): come 100/5, 200/5, 400/5, ecc., che rappresenta il rapporto tra la corrente nominale sul lato primario e la corrente nominale sul lato secondario, è il parametro principale per la selezione.
Classe di precisione (grado di precisione): comunemente visti sono 0,1, 0,2, 0,5 (per la misurazione) e 5P, 10P (per la protezione). Più piccolo è il numero, maggiore è la precisione. È necessario selezionare gradi diversi per applicazioni diverse.
Carico secondario nominale (VA): si riferisce alla potenza apparente corrispondente all'impedenza massima consentita collegata al lato secondario del trasformatore di corrente. I valori comuni sono 5VA, 10VA, 15VA, 30VA, ecc. L'impedenza totale degli strumenti collegati non deve superare questo valore; in caso contrario, l'errore aumenterà.
Tensione di isolamento nominale (Um): indica la classe di tensione di tenuta dell'isolamento del lato primario del trasformatore di corrente verso terra e verso il lato secondario, ad esempio 0,72 kV, 3,6 kV, 7,2 kV, ecc.

Scenari I trasformatori di corrente monofase-per interni sono ampiamente utilizzati nelle seguenti applicazioni: circuiti di misurazione e protezione nei sistemi di distribuzione dell'alimentazione in fabbrica; rilevamento della corrente in quadri da 10 kV e armadi di distribuzione a bassa-tensione; attuale

campionamento nei dispositivi di protezione relè delle sottostazioni; cassette per la misurazione dell'energia nei locali di distribuzione degli edifici; e circuiti di monitoraggio della corrente nei sistemi di automazione industriale.

D1: Perché il lato secondario di un trasformatore di corrente non può essere messo in circuito-aperto?
R: Quando il lato secondario è aperto-in circuito, il flusso magnetico nel nucleo di ferro perde l'effetto smagnetizzante della corrente secondaria, provocando un forte aumento del flusso magnetico. Ciò induce sul lato secondario un'alta tensione di diverse migliaia di volt, che può facilmente portare alla rottura dell'isolamento del trasformatore di corrente e a scosse elettriche. Il lato secondario deve essere cortocircuitato-prima di smontare lo strumento.

Q2: È più sicuro scegliere un rapporto di trasformazione maggiore per il trasformatore di corrente?
R: Non necessariamente. Un rapporto di trasformazione eccessivamente grande comporterà una corrente secondaria insufficiente sotto carico normale, aumentando gli errori di misurazione e letture imprecise dello strumento. È necessario selezionare un rapporto di trasformazione adeguato in base alla corrente di carico massima effettiva; generalmente è preferibile una corrente operativa normale compresa tra il 60% e l'80% della corrente primaria nominale.

Q3: I trasformatori di corrente per interni possono essere installati all'aperto?
R: No. La struttura di isolamento e la distanza di dispersione dei trasformatori di corrente per interni sono progettate per ambienti interni puliti. Gli ambienti esterni umidi, sporchi e ultravioletti accelerano l'invecchiamento dell'isolamento, portando a scariche superficiali o guasti all'isolamento. È necessario utilizzare trasformatori di corrente esterni dedicati.