Guida alla Progettazione dei Trasformatori di Corrente per Protezione e Misurazione

Guida alla Progettazione dei Trasformatori di Corrente per Protezione e Misurazione

I trasformatori di corrente (TC) sono dispositivi di precisione che convertono le correnti primarie in valori secondari standard per relè e strumenti di misura. La progettazione di un TC richiede un equilibrio tra prestazioni magnetiche, limiti termici e robustezza meccanica per soddisfare i requisiti di accuratezza in condizioni operative variabili.

Definizione rapida: La progettazione del trasformatore di corrente è il processo ingegneristico di selezione di materiali del nucleo, configurazioni degli avvolgimenti e sistemi di isolamento per riprodurre accuratamente le correnti primarie a un valore secondario scalato.

Principali risultati del progetto

• La progettazione del TC deve essere conforme agli standard IEC 61869-2 e IEEE C57.13 per quanto riguarda accuratezza, sicurezza e prove.
• La saturazione del nucleo, le dimensioni del carico e le prestazioni termiche determinano l'affidabilità del TA durante i guasti.
• Enwei Electric offre TA progettati su misura per applicazioni di protezione, misurazione e sottostazioni digitali.
• Riferimenti esterni da IEC, IEEE e NERC guidano le specifiche, le prove e i protocolli di manutenzione.

Definizione degli obiettivi di progetto

I progettisti chiariscono innanzitutto se il TA svolge funzioni di protezione, misurazione o entrambe. I TA di protezione danno priorità alle prestazioni transitorie e a una tensione elevata del punto di ginocchio per evitare la saturazione durante i guasti. I TA di misurazione si concentrano sull'accuratezza in tutta la gamma di carico. Le condizioni ambientali, i vincoli di montaggio e l'integrazione con gli apparecchi di manovra influenzano la geometria e le scelte isolanti.

Fondamenti del circuito magnetico

Il nucleo CT forma un circuito magnetico che indirizza il flusso generato dalla corrente primaria. L'area della sezione trasversale del nucleo e la lunghezza del percorso magnetico determinano la corrente di magnetizzazione e le caratteristiche di saturazione. I progettisti utilizzano materiali ad alta permeabilità per minimizzare la corrente di magnetizzazione, garantendo che la corrente secondaria segua l'andamento d'onda della primaria.

I traferri, spesso indesiderati, possono essere introdotti intenzionalmente in particolari trasformatori di corrente per controllare la saturazione. Tuttavia, i traferri aumentano la corrente di magnetizzazione e riducono la precisione, pertanto devono essere modellati con attenzione.

Allineamento alle norme e riferimenti

• IEC 61869-2:2012 — Fornisce classi di precisione, limiti termici e procedure di prova. Fonte: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Copre i requisiti per i trasformatori di misura in Nord America. Fonte: IEEE
• NERC PRC-005 — Indica gli intervalli di manutenzione per i componenti dei sistemi di protezione. Fonte: NERC

La conformità garantisce che i trasformatori di corrente soddisfino le aspettative globali di precisione e i requisiti di audit regolamentari.

Calcoli di progettazione del nucleo

I progettisti calcolano l'area della sezione trasversale del nucleo utilizzando la densità di flusso massima consentita per il materiale scelto, tenendo conto della corrente primaria, del rapporto spire e della frequenza. La densità di flusso deve rimanere al di sotto della soglia di saturazione anche in condizioni di guasto massimo.

La tensione del punto di ginocchio viene calcolata a partire dalle caratteristiche del nucleo e dal rapporto spire, garantendo che i TA di protezione mantengano l'uscita quando i circuiti secondari sono soggetti a carichi elevati. Gli ingegneri determinano inoltre la corrente di magnetizzazione e le curve di eccitazione per verificarne l'accuratezza all'interno delle classi specificate.

Considerazioni sui Avvolgimenti e sul Carico

La progettazione dell'avvolgimento secondario prevede la scelta della sezione del conduttore e del numero di spire per ottenere il rapporto desiderato, gestendo al contempo i carichi termici. La resistenza degli avvolgimenti e la reattanza di dispersione contribuiscono al carico totale e devono essere ridotte al minimo.

I calcoli del carico comprendono i dispositivi collegati—contatori, relè—più la resistenza dei conduttori. Il carico totale deve rimanere al di sotto del valore nominale per mantenere l'accuratezza. Alcuni progetti prevedono più avvolgimenti secondari per circuiti separati di protezione e misurazione.

Selezione del materiale per nucleo e avvolgimenti

I TA di protezione utilizzano spesso acciaio al silicio orientato o materiali nanocristallini per un'elevata densità di flusso di saturazione. I TA di misura possono impiegare leghe amorfe per migliorare l'accuratezza a correnti ridotte. L'isolamento dell'avvolgimento secondario utilizza filo di rame smaltato, integrato con strati di resina epossidica, Mylar o Nomex a seconda della classe di tensione.

Il design meccanico include strutture di supporto, telai di fissaggio e incapsulamento in resina per resistere alle forze di cortocircuito. I TA esterni richiedono involucri impermeabili, mentre i TA interni si integrano nei compartimenti degli apparecchi di manovra.

Prestazioni termiche e meccaniche

I TA generano calore attraverso le perdite nel rame e l'isteresi del nucleo. La modellazione termica garantisce che l'aumento di temperatura rimanga entro i limiti IEC. I progettisti possono utilizzare involucri in resina colata o immersi in olio per dissipare efficacemente il calore.

Le forze di corto circuito possono superare diversi kN, specialmente nelle applicazioni ad alta corrente. Le strutture dei TA, i supporti e l'isolamento devono resistere alle sollecitazioni meccaniche per evitare deformazioni o guasti dell'isolamento.

Test e Validazione

I TA prototipo sono sottoposti a prove di routine, prove di tipo e prove speciali: verifiche della precisione del rapporto, controllo della polarità, prove di isolamento, capacità di tenuta alla corrente di corta durata e misure di scariche parziali. Le curve di eccitazione confermano la tensione del punto di ginocchio, mentre le prove di aumento di temperatura validano il progetto termico.

Strumenti di modellazione digitale, come l'analisi agli elementi finiti (FEA), aiutano a verificare la distribuzione del flusso magnetico e delle sollecitazioni meccaniche prima dei test fisici. I laboratori di Enwei Electric raccolgono dati per certificare la conformità alle specifiche del cliente e agli standard internazionali.

Checklist dell'ingegnere per la progettazione del trasformatore di corrente

• Identificare l'applicazione: protezione, misurazione o combinata.
• Selezionare il materiale del nucleo e determinare la sezione trasversale per evitare la saturazione.
• Calcolare il rapporto spire, la tensione al punto di ginocchio e la corrente magnetizzante.
• Valutare il carico comprensivo dei dispositivi collegati e del cablaggio.
• Progettare l'isolamento, la gestione termica e i supporti meccanici in base all'ambiente operativo.
• Pianificare i test di validazione secondo IEC 61869-2 e IEEE C57.13.

Esperienza di Enwei Electric nella progettazione di TC

Enwei Electric produce trasformatori di corrente a media e bassa tensione con rapporti, classi di precisione e sistemi di isolamento personalizzabili. Scopri le opzioni prodotto su https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. Integrazione con quadri elettrici ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) e trasformatori ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) garantisce prestazioni coerenti del sistema.

Domande frequenti di ingegneria sulla progettazione dei trasformatori di corrente

Come si previene la saturazione del TC durante i guasti?

Progettare con una tensione al punto di ginocchio elevata, selezionando un materiale del nucleo adeguato, aumentando il numero di spire e gestendo il carico per rimanere entro i limiti nominali.

Un singolo TC può essere utilizzato sia per protezione che per misurazione?

Sì, con avvolgimenti secondari doppi progettati per classi di precisione diverse, ma è necessaria una gestione accurata del carico per evitare interferenze reciproche.

Quali supporti progettuali offre Enwei Electric?

Enwei Electric fornisce ingegneria applicativa, selezione del rapporto e test di verifica per fornire TC personalizzati in base ai requisiti di protezione o misurazione.

Invito all'azione: Progetta TC di precisione con Enwei Electric

Un design robusto del trasformatore di corrente è essenziale per misurazioni accurate e protezioni affidabili. Collaborate con Enwei Electric per soluzioni ingegnerizzate di TC, prove e supporto all'integrazione di sistema. Contattate oggi Enwei Electric per accelerare il vostro progetto di progettazione dei trasformatori di corrente.

Domande di progetto

Visualizza esempi di implementazione nel mondo reale e immagini in evidenza dalla galleria negli hub prodotto di Enwei Electric:

• Soluzioni per trasformatori per progetti di distribuzione e industriali.
• Portafogli di apparecchiature elettriche di manovra copertura di sale di controllo a media e bassa tensione.
• Gamme di trasformatori di corrente supportano la misurazione precisa e la protezione.
• Sottostazioni prefabbricate che integrano trasformatori, apparecchiature di commutazione e quadri.