Trasformatori di corrente: principio di funzionamento e applicazione

Quando si lavora con i sistemi energetici, è spesso necessario convertire determinate quantità elettriche in analoghi a loro simili con valori proporzionalmente modificati. Ciò consente di simulare determinati processi negli impianti elettrici ed effettuare misurazioni in sicurezza.

Il funzionamento del trasformatore di corrente (CT) si basa su la legge dell'induzione elettromagneticaoperanti in campi elettrici e magnetici variabili sotto forma di armoniche di grandezze sinusoidali alternate.

Converte il valore primario del vettore di corrente circolante nel circuito di potenza in un valore ridotto secondario, rispettando la proporzionalità del modulo e l'esatto angolo di trasmissione.

Il principio di funzionamento del trasformatore di corrente

La dimostrazione dei processi che avvengono durante la trasformazione dell'energia elettrica all'interno del trasformatore è spiegata dal diagramma.

La corrente I1 attraversa l'avvolgimento primario di potenza con il numero di spire w1, superando la sua impedenza Z1.Attorno a questa bobina si forma un flusso magnetico F1, che viene catturato da un circuito magnetico posto perpendicolarmente alla direzione del vettore I1. Questo orientamento garantisce una perdita minima di energia elettrica quando viene convertita in energia magnetica.

Attraversando le spire posizionate perpendicolarmente dell'avvolgimento w2, il flusso F1 induce in esse una forza elettromotrice E2, sotto l'influenza della quale si genera una corrente I2 nell'avvolgimento secondario, superando l'impedenza della bobina Z2 e il carico di uscita collegato Zn. In questo caso si forma una caduta di tensione U2 ai capi del circuito secondario.

Viene chiamata la quantità K1, determinata dal rapporto tra i vettori I1 / I2 coefficiente di trasformazione... Il suo valore viene impostato durante la progettazione dei dispositivi e viene misurato in strutture già pronte. Le differenze tra gli indicatori dei modelli reali e i valori calcolati sono valutate dalla caratteristica metrologica - classe di precisione di un trasformatore di corrente.

Nel funzionamento effettivo, i valori delle correnti nelle bobine non sono valori costanti. Pertanto, il coefficiente di trasformazione è solitamente indicato da valori nominali. Ad esempio, la sua espressione 1000/5 significa che con una corrente operativa primaria di 1 kiloampere, i carichi di 5 ampere agiranno nelle spire secondarie. Questi valori vengono utilizzati per calcolare le prestazioni a lungo termine di questo trasformatore di corrente.

Il flusso magnetico F2 dalla corrente secondaria I2 riduce il valore del flusso F1 nel circuito magnetico. In questo caso, il flusso dal trasformatore Ф creato in esso è determinato dalla somma geometrica dei vettori Ф1 e Ф2.

Fattori pericolosi durante il funzionamento del trasformatore di corrente

Capacità di essere influenzato dal potenziale di alta tensione in caso di guasto dell'isolamento

Poiché il circuito magnetico del TT è realizzato in metallo, ha una buona conduttività e collega magneticamente gli avvolgimenti isolati (primario e secondario) tra loro, vi è un aumento del rischio di scosse elettriche al personale o danni alle apparecchiature se lo strato isolante è rotto.

Per evitare tali situazioni, viene utilizzata la messa a terra di uno dei terminali secondari del trasformatore per drenare il potenziale ad alta tensione attraverso di esso in caso di incidenti.

Questo morsetto è sempre contrassegnato sull'alloggiamento del dispositivo ed è indicato sugli schemi di collegamento.

La possibilità di essere influenzati da un potenziale di alta tensione in caso di guasto del circuito secondario

Le conclusioni dell'avvolgimento secondario sono contrassegnate con «I1» e «I2», quindi la direzione delle correnti che scorrono è polare, coincide in tutti gli avvolgimenti. Quando il trasformatore è in funzione, devono essere sempre collegati al carico.

Ciò è spiegato dal fatto che la corrente che passa attraverso l'avvolgimento primario ha un'elevata potenza potenziale (S = UI), che si trasforma in un circuito secondario con basse perdite, e quando viene interrotto, la componente di corrente diminuisce bruscamente ai valori di perdite attraverso l'ambiente, ma allo stesso tempo la caduta aumenta notevolmente le sollecitazioni nella sezione rotta.

Il potenziale ai contatti aperti dell'avvolgimento secondario durante il passaggio di corrente nel circuito primario può raggiungere diversi kilovolt, il che è molto pericoloso.

Pertanto, tutti i circuiti secondari dei trasformatori di corrente devono essere sempre assemblati in modo sicuro e i cortocircuiti shunt devono essere sempre installati su avvolgimenti o nuclei messi fuori servizio.

Soluzioni progettuali utilizzate nei circuiti dei trasformatori di corrente

Ogni trasformatore di corrente, in quanto dispositivo elettrico, è progettato per risolvere determinati problemi durante il funzionamento degli impianti elettrici. L'industria ne produce un vasto assortimento. Tuttavia, in alcuni casi, quando si migliorano le strutture, è più facile utilizzare modelli già pronti con tecnologie collaudate piuttosto che riprogettarne e fabbricarne di nuovi.

Il principio di creazione di un TT a giro singolo (nel circuito primario) è fondamentale ed è mostrato nella foto a sinistra.

Qui l'avvolgimento primario, ricoperto di isolamento, è costituito da un bus lineare L1-L2 che passa attraverso il circuito magnetico del trasformatore, e il secondario è avvolto con spire attorno ad esso e collegato al carico.

Il principio di creazione di un TA multigiro con due fili è mostrato a destra. Qui vengono presi due trasformatori monogiro con i loro circuiti secondari e un certo numero di spire di avvolgimenti di potenza vengono fatti passare attraverso i loro circuiti magnetici. In questo modo, non solo viene aumentata la potenza, ma viene ulteriormente aumentato il numero di circuiti collegati in uscita.

Questi tre principi possono essere modificati in modi diversi. Ad esempio, è diffuso l'uso di più bobine identiche attorno a un singolo circuito magnetico per creare circuiti secondari separati e indipendenti che funzionano autonomamente. Questi sono chiamati nuclei. In questo modo, la protezione di interruttori o linee (trasformatori) con scopi diversi è collegata ai circuiti di corrente di un trasformatore di corrente.

I trasformatori di corrente combinati con un potente circuito magnetico, utilizzati nelle modalità di emergenza delle apparecchiature, e il solito, progettato per misurazioni ai parametri di rete nominali, funzionano nei dispositivi delle apparecchiature di potenza.Le bobine avvolte attorno all'armatura vengono utilizzate per azionare i dispositivi di protezione, mentre le bobine convenzionali vengono utilizzate per misurare la corrente o la potenza/resistenza.

Si chiamano così:

• bobine di protezione contrassegnate con l'indice «P» (relè);

• misura indicata dai numeri della classe di accuratezza metrologica TT, ad esempio «0.5».

Gli avvolgimenti protettivi durante il normale funzionamento del trasformatore di corrente forniscono la misurazione del vettore di corrente primario con una precisione del 10%. Con questo valore, vengono chiamati "dieci percento".

Errori di misura

Il principio di determinazione dell'accuratezza del trasformatore consente di valutare il suo circuito equivalente mostrato nella foto. In esso, tutti i valori delle quantità primarie sono condizionalmente ridotti all'azione nei cicli secondari.

Il circuito equivalente descrive tutti i processi che operano negli avvolgimenti, tenendo conto dell'energia spesa per magnetizzare il nucleo con la corrente I.

Il diagramma vettoriale costruito sulla sua base (triangolo SB0) mostra che l'attuale I2 differisce dai valori di I'1 con il valore di I verso di noi (magnetizzazione).

Maggiori sono queste deviazioni, minore è la precisione del trasformatore di corrente.Per tenere conto degli errori di misura del TA, vengono introdotti i seguenti concetti:

• errore di corrente relativo espresso in percentuale;

• errore angolare calcolato dalla lunghezza dell'arco AB in radianti.

Il valore assoluto della deviazione dei vettori di corrente primaria e secondaria è determinato dal segmento AC.

I progetti industriali comuni dei trasformatori di corrente sono realizzati per funzionare in classi di precisione definite dalle caratteristiche di 0,2; 0,5; 1,0; 3 e 10%.

Applicazione pratica dei trasformatori di corrente

Diversi sono i loro modelli che si trovano sia in piccoli dispositivi elettronici alloggiati in un piccolo contenitore, sia in dispositivi energetici che occupano dimensioni significative di diversi metri, suddivisi per caratteristiche operative.

Classificazione dei trasformatori di corrente

Di comune accordo, sono divisi in:

• misurazione, trasferimento di correnti a strumenti di misura;
• protetto, collegato a circuiti di protezione corrente;
• laboratorio, con un'elevata classe di accuratezza;
• intermedi utilizzati per la riconversione.

Quando si gestiscono strutture, TT viene utilizzato:

• installazione all'aperto all'aperto;

• per impianti chiusi;

• attrezzatura incorporata;

• dall'alto - inserire la manica;

• portatile, che consente di effettuare misurazioni in luoghi diversi.

Dal valore della tensione operativa dell'apparecchiatura TT ci sono:

• alta tensione (più di 1000 volt);

• per valori di tensione nominale fino a 1 kilovolt.

Inoltre, i trasformatori di corrente sono classificati in base al metodo dei materiali isolanti, al numero di passaggi di trasformazione e ad altre caratteristiche.

Compiti completati

I trasformatori di corrente di misurazione esterni vengono utilizzati per il funzionamento di circuiti elettrici per la misurazione dell'energia elettrica, misurazioni e protezione di linee o autotrasformatori di potenza.

La foto sotto mostra la loro ubicazione per ogni fase della linea e l'installazione dei circuiti secondari nella morsettiera del quadro 110 kV per l'autotrasformatore di potenza.

Gli stessi compiti sono svolti dai trasformatori di corrente del quadro esterno-330 kV, ma data la complessità delle apparecchiature a tensione più elevata, hanno dimensioni molto maggiori.

Sulle apparecchiature elettriche vengono spesso utilizzati progetti incorporati di trasformatori di corrente, che vengono posizionati direttamente sull'involucro della centrale elettrica.

Hanno avvolgimenti secondari con conduttori posizionati attorno alla boccola ad alta tensione in un alloggiamento sigillato. I cavi dai morsetti CT vengono instradati alle morsettiere qui collegate.

I trasformatori di corrente interni ad alta tensione utilizzano molto spesso uno speciale olio per trasformatori come isolante. Un esempio di tale progetto è mostrato nella foto per i trasformatori di corrente della serie TFZM progettati per funzionare a 35 kV.

Fino a 10 kV inclusi, i materiali dielettrici solidi vengono utilizzati per l'isolamento tra gli avvolgimenti nella fabbricazione della scatola.

Un esempio di trasformatore di corrente TPL-10 utilizzato in KRUN, quadri chiusi e altri tipi di quadri.

Un esempio di collegamento del circuito di corrente secondaria di uno dei nuclei di protezione REL 511 per un interruttore 110 kV è mostrato con uno schema semplificato.

Guasti del trasformatore di corrente e come trovarli

Un trasformatore di corrente collegato a un carico può rompere la resistenza elettrica dell'isolamento degli avvolgimenti o la loro conduttività sotto l'influenza di surriscaldamento termico, influenze meccaniche accidentali oa causa di una cattiva installazione.

Nelle apparecchiature operative, l'isolamento è molto spesso danneggiato, con conseguente cortocircuito da spira a spira degli avvolgimenti (riduzione della potenza trasmessa) o il verificarsi di correnti di dispersione attraverso cortocircuiti creati casualmente.

Al fine di identificare i luoghi di installazione di scarsa qualità del circuito di alimentazione, vengono periodicamente eseguite ispezioni del circuito di lavoro con termocamere.Sulla base di essi, i difetti dei contatti rotti vengono immediatamente rimossi, il surriscaldamento dell'apparecchiatura viene ridotto.

L'assenza di chiusura da una svolta all'altra è verificata dagli specialisti dei laboratori di protezione e automazione dei relè:

• prendere la caratteristica corrente-tensione;

• caricare il trasformatore da una fonte esterna;

• misure dei principali parametri dello schema di lavoro.

Analizzano anche il valore del coefficiente di trasformazione.

In tutte le opere, il rapporto tra i vettori di corrente primari e secondari è stimato in grandezza. Le loro deviazioni angolari non vengono eseguite a causa della mancanza di dispositivi di misurazione di fase ad alta precisione utilizzati per controllare i trasformatori di corrente nei laboratori metrologici.

I test ad alta tensione delle proprietà dielettriche sono assegnati agli specialisti del laboratorio di servizio di isolamento.