Misurazione della corrente tramite trasformatori di corrente a flusso zero in apparecchiature commutatrici isolate a gas (GIS)

L'aumento della complessità della rete elettrica, specialmente con l'integrazione di dispositivi basati su elettronica di potenza, richiede tecniche di misura tracciabili. Queste sono fondamentali per determinare con precisione i componenti ad alta frequenza delle correnti elettriche elevate. Nella misura non invasiva di correnti elettriche sia AC che DC, viene ampiamente impiegato il couplaggio magnetico nei trasformatori di corrente.

L'errore di un trasformatore di corrente è direttamente correlato alla magnetizzazione del suo nucleo. Questa connessione intrinseca spinge naturalmente a esplorare metodi per mitigare questo flusso magnetico. Uno di questi approcci è la tecnica a flusso zero. In questa tecnica, viene introdotta una corrente compensativa di bilanciamento per indurre un flusso zero all'interno del nucleo magnetico.

I trasformatori di corrente a flusso zero appartengono alla categoria dei trasformatori strumentali a basso consumo (LPITs). Gli LPITs offrono numerosi vantaggi, tra cui dimensioni ridotte, minor consumo di energia, maggiore sicurezza, maggiore precisione e affidabilità migliorata del segnale. Con l'implementazione della comunicazione digitale nelle sottostazioni in conformità con lo standard IEC61850-9-2, l'utilizzo degli LPITs nelle sottostazioni isolate a gas (GIS) sta diventando sempre più diffuso.

Un avvolgimento di rilevamento è responsabile della sensazione del flusso magnetico all'interno del nucleo. Un sistema di controllo a ciclo chiuso, costituito da un amplificatore e un avvolgimento di retroazione, genera una corrente secondaria. Questa corrente secondaria è progettata per contrastare il flusso prodotto dalla corrente primaria, creando così un "trasformatore di corrente a flusso zero".

La corrente secondaria passa poi attraverso un resistore di carico preciso, generando un segnale di tensione proporzionale alla corrente primaria. In questa configurazione, il materiale magnetico del nucleo rimane inesaltato, assicurando che non manifesti effetti di isteresi o saturazione. Tuttavia, in condizioni di continua o a bassa frequenza, il meccanismo di annullamento del flusso incontra sfide. L'avvolgimento di rilevamento è incapace di misurare il flusso residuo in tali circostanze, e quindi, il flusso non può essere annullato efficacemente.

Per affrontare le misure in continua, viene incorporato un sensore di flusso DC. Questo può essere un probe Hall incorporato nel nucleo o un circuito a cancello di flusso dotato di due avvolgimenti di controllo e rilevamento aggiuntivi. Vantaggi dei trasformatori di corrente a flusso zero I sensori a flusso zero in AC presentano alta linearità e precisione. Sono immuni alle caratteristiche del nucleo magnetico, risultando in un piccolo errore di fase. La precisione di questi sensori è determinata principalmente dalla precisione del resistore di carico.

L'aggiunta di un probe Hall o di un rilevatore a cancello di flusso consente la misura di correnti continue. Questi sensori sono altamente resistenti all'interferenza elettromagnetica, garantendo un funzionamento affidabile in vari ambienti elettromagnetici. Svantaggi dei trasformatori di corrente a flusso zero Il sensore richiede un alimentazione esterna e un amplificatore per funzionare. Un circuito secondario malfunzionante ha il potenziale di generare tensioni pericolose, rappresentando un rischio per la sicurezza. Esempio di utilizzo di un trasformatore di corrente a flusso zero nel progetto Kii-Channel HVDC Link per GIS DC all'aperto a 500 kV Nel progetto Kii-Channel, vengono utilizzati trasformatori di corrente a flusso zero.

La figura 2 presenta il diagramma a blocchi e i dettagli hardware del CT. La corrente da misurare, (Ip), genera un flusso magnetico che è influenzato dalla corrente (Is) nell'avvolgimento secondario ((Ns)). Tre nuclei toroidali, situati all'interno del compartimento GIS, sono impiegati per rilevare il flusso. I nuclei (N1) e (N2) sono dedicati al rilevamento dei componenti DC del flusso residuo, mentre (N3) è responsabile per la rilevazione del componente AC. Un oscillatore porta i nuclei di rilevamento del flusso DC ((N1) e (N2)) in saturazione in direzioni opposte.

Se il flusso DC residuo è zero, le correnti di picco in entrambe le direzioni saranno uguali. Tuttavia, se il flusso DC è diverso da zero, la differenza tra questi picchi sarà proporzionale al flusso DC residuo. Combinando il componente AC rilevato da (N3), si stabilisce un loop di controllo. Questo loop genera la corrente secondaria (Is) in modo tale da annullare il flusso complessivo. Un amplificatore di potenza fornisce la corrente (Is) all'avvolgimento secondario (Ns). Successivamente, la corrente secondaria viene diretta al resistore di carico, che converte la corrente in un segnale di tensione equivalente. La precisione della misura è determinata sia dal resistore di carico che dalla stabilità dell'amplificatore differenziale.

I trasformatori di corrente a flusso zero sono strumenti di precisione progettati per misure AC e AC/DC. Attualmente, sono più comunemente utilizzati nelle sottostazioni isolate a gas (GIS) ad alta tensione continua (HVDC). Il principio di misura di un trasformatore di corrente a flusso zero in AC è illustrato nella Figura 1.