I due principali tipi di trasformatori strumentali in un sistema elettrico.

I. Trasformatore di Tensione (VT)

Il Trasformatore di Tensione (noto anche come Trasformatore di Potenziale, abbreviato PT; Trasformatore di Tensione, abbreviato VT) è un dispositivo elettrico utilizzato per trasformare i livelli di tensione nei circuiti di potenza.

1. Principio di Funzionamento

Il trasformatore di tensione funziona sul principio dell'induzione elettromagnetica e ha una struttura simile a quella di un trasformatore convenzionale, costituito principalmente da un avvolgimento primario, un avvolgimento secondario e un nucleo. L'avvolgimento primario è collegato in parallelo al circuito ad alta tensione da misurare e ha un gran numero di spire.

L'avvolgimento secondario, con meno spire, è collegato a strumenti di misura, relè di protezione e altri carichi. In condizioni di funzionamento normali, il lato secondario si trova in uno stato quasi aperto. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, il rapporto tra la tensione primaria e secondaria è uguale al rapporto delle spire (U₁/U₂ = N₁/N₂). Questo permette di ridurre proporzionalmente l'alta tensione a una tensione standardizzata bassa (tipicamente 100V o 100/√3 V), rendendola sicura e adatta per dispositivi di misura e protezione.

Il suo simbolo elettrico è il seguente:

2. Funzioni

• Misurazione della Tensione: Riduce le alte tensioni del sistema a tensioni basse standardizzate (ad esempio, 100V o 100/√3 V) per l'uso da parte di voltmetri, contatori di energia e altri strumenti di misura, consentendo il monitoraggio in tempo reale della tensione del sistema di potenza.
• Protezione a Relè: Fornisce segnali di tensione affidabili ai relè di protezione per funzioni di sovratensione, sottotensione e altre protezioni. Quando si verificano condizioni di tensione anomale, il sistema di protezione risponde rapidamente, attivando un comando di spegnimento per isolare il circuito difettoso e garantire la sicurezza del sistema e degli apparecchi.
• Misurazione dell'Energia e Fatturazione: Opera in combinazione con i contatori di energia per misurare con precisione il consumo di energia nei circuiti ad alta tensione. Serve come base critica per la fatturazione delle utility e il bilanciamento energetico.

3. Caratteristiche

• Alta Precisione: I trasformatori di tensione da misura hanno classi di precisione elevate (ad esempio, 0,2, 0,5) per garantire misurazioni precise della tensione e della energia. I VT da protezione danno priorità a una risposta rapida e hanno classi di precisione relativamente inferiori (ad esempio, 3P, 6P).
• Requisiti Elevati di Isolamento: I VT ad alta tensione devono resistere a tensioni operative elevate e solitamente utilizzano isolamenti a immersione in olio, gas SF₆ o resina solida per prestazioni stabili e affidabili. I VT a bassa tensione sono in genere a secco, con struttura semplice e facile manutenzione.
• Lato Secondario Non Deve Essere Cortocircuitato: Un cortocircuito sul lato secondario può generare correnti estremamente elevate, potenzialmente surriscaldando e distruggendo gli avvolgimenti. Pertanto, il circuito secondario deve essere protetto da fusibili o interruttori differenziali a minima corrente.

4. Scenari di Applicazione

• Applicazioni ad Alta Tensione: Adatti per linee di trasmissione e stazioni di trasformazione con tensioni di 1 kV e superiori (ad esempio, sistemi a 10 kV, 35 kV, 110 kV). Utilizzati per monitorare le tensioni delle busbar o delle linee e fornire input ai sistemi di protezione, assicurando l'operatività sicura e stabile della rete.
• Applicazioni a Bassa Tensione: Applicabili a sistemi di distribuzione inferiori a 1 kV (ad esempio, circuiti domestici a 220V, sistemi industriali a 380V). Comunemente installati in quadri di commutazione a bassa tensione per il monitoraggio della tensione dal lato consumatore o per l'interfacciamento con contatori di energia per la misurazione del potere.

II. Trasformatore di Corrente (CT)

Un trasformatore di corrente (CT), noto anche come transduttore di corrente, è un trasformatore strumentale che, in condizioni di funzionamento normali, produce una corrente secondaria sostanzialmente proporzionale alla corrente primaria, con una differenza di fase che tende a zero quando correttamente collegato.

1. Principio di Funzionamento

Il trasformatore di corrente funziona sul principio dell'induzione elettromagnetica e ha una struttura simile a quella di un trasformatore convenzionale, costituito da un avvolgimento primario, un avvolgimento secondario e un nucleo magnetico. L'avvolgimento primario è collegato in serie al circuito da misurare e ha pochissime spire (talvolta solo una spira), portando la corrente primaria elevata.

L'avvolgimento secondario, con molte più spire, è collegato in serie a strumenti di misura, relè di protezione e altri carichi, formando un circuito chiuso. In condizioni di funzionamento normale, il lato secondario si trova in uno stato quasi a cortocircuito. Secondo l'induzione elettromagnetica, il rapporto tra la corrente primaria e secondaria è inversamente proporzionale al rapporto delle spire (I₁/I₂ = N₂/N₁). Questo permette di ridurre proporzionalmente le correnti elevate a correnti standardizzate a basso livello (tipicamente 5A o 1A), facilitando la misurazione, il monitoraggio e la protezione.

Il suo simbolo elettrico è il seguente:

Il rapporto tra la corrente nominale primaria e secondaria di un trasformatore di corrente è chiamato rapporto di trasformazione (Ke). L'espressione per il rapporto di trasformazione è:

Note:

• W₁, W₂ sono il numero di spire negli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore, rispettivamente;
• I₁ₑ, I₂ₑ sono le correnti nominali negli avvolgimenti primario e secondario, rispettivamente;
• I₁, I₂ sono le correnti effettive negli avvolgimenti primario e secondario, rispettivamente.

2. Funzioni

• Misurazione della Corrente: Riduce le correnti primarie elevate a correnti secondarie standardizzate a basso livello (ad esempio, 5A o 1A), consentendo agli amperometri, contatori di energia e altri strumenti di monitorare la corrente di carico in tempo reale.
• Protezione a Relè: Fornisce segnali di corrente ai relè di protezione per protezioni contro sovra-corrente, differenziale e distanza. Quando si verificano guasti come cortocircuiti o sovraccarichi, il sistema di protezione attiva un segnale di spegnimento per interrompere l'alimentazione, prevenendo danni agli apparecchi e instabilità del sistema.
• Isolamento Elettrico: Fornisce isolamento galvanico tra il circuito primario ad alta tensione/corrente elevata e i circuiti secondari a bassa tensione utilizzati per misurazione, controllo e protezione. Ciò garantisce la sicurezza del personale e degli apparecchi secondari.

3. Caratteristiche

• Alta Affidabilità: Deve resistere a forti stress meccanici e termici durante eventi di cortocircuito. I CT sono progettati con eccellente stabilità dinamica e termica per rimanere intatti in condizioni estreme di guasto.
• Progettazione Multi-Avvolgimento: I CT ad alta tensione spesso hanno più avvolgimenti secondari - uno per la misura (alta precisione, ad esempio classe 0,5) e un altro per la protezione (ampia gamma e risposta rapida, ad esempio classe 5P o 10P). I CT a bassa tensione tipicamente hanno avvolgimenti singoli o doppi per soddisfare le esigenze di base delle applicazioni.
• Lato Secondario Non Deve Essere Aperto: Un circuito aperto sul lato secondario può indurre tensioni estremamente elevate (fino a diversi kV) attraverso l'avvolgimento, presentando gravi rischi di rottura dell'isolamento, danni agli apparecchi e shock elettrici. Pertanto, il circuito secondario deve rimanere chiuso durante l'operazione - aprirlo è rigorosamente vietato.

4. Scenari di Applicazione

• Applicazioni ad Alta Tensione: Utilizzati in linee di trasmissione e stazioni di trasformazione con tensioni di 1 kV e superiori (ad esempio, sistemi a 10 kV, 35 kV, 110 kV). Ampiamente applicati nel monitoraggio e nella protezione di apparecchi critici come trasformatori, interruttori e busbar, svolgendo un ruolo vitale nell'assicurare l'affidabilità e la sicurezza della rete.
• Applicazioni a Bassa Tensione: Applicati in sistemi di distribuzione inferiori a 1 kV (ad esempio, officine industriali, edifici commerciali, complessi residenziali). Tipicamente installati in quadri di distribuzione a bassa tensione o pannelli di distribuzione per il monitoraggio dei rami, la misurazione dell'energia o l'integrazione con dispositivi di corrente residua (RCD) e contatori intelligenti per gestire in modo sicuro ed efficiente l'uso dell'energia.