Guida al calcolo del fattore di limitazione della precisione CT

Introduzione

Nei sistemi di distribuzione di media tensione, un trasformatore di corrente (TA) non si limita a misurare la corrente, ma deve mantenere l'integrità della misura anche quando le correnti di guasto salgono a 10, 20 o addirittura 30 volte il valore nominale. È qui che il Fattore di limitazione della precisione (ALF) diventa mission-critical. L'ALF definisce il multiplo massimo della corrente primaria nominale fino al quale un TA mantiene la sua classe di precisione nominale, determinando direttamente se il relè di protezione riceve un segnale affidabile durante un evento di guasto. Per gli ingegneri elettrici che progettano schemi di protezione e per i responsabili degli acquisti che specificano i TA per i quadri di sottostazione o di MT industriale, l'incomprensione o l'errato calcolo dell'ALF porta a un cattivo funzionamento dei relè, a danni alle apparecchiature e a costosi tempi di fermo. Questa guida illustra la metodologia di calcolo dell'ALF, i parametri chiave coinvolti e come selezionare il TA giusto per i requisiti di affidabilità della protezione.

Indice dei contenuti

• Che cos'è il fattore di limitazione dell'accuratezza della TC e perché è importante?
• Come viene calcolato l'ALF? Formula e parametri fondamentali spiegati
• Come selezionare l'ALF giusto per la vostra applicazione?
• Quali sono gli errori più comuni nelle specifiche e nell'installazione degli ALF?

Che cos'è il fattore di limitazione dell'accuratezza della TC e perché è importante?

Il Fattore di limitazione della precisione (ALF) è un parametro adimensionale definito come IEC 61869-2¹ che specifica il multiplo più alto della corrente primaria nominale al quale il TA errore composito² non supera il limite prescritto per la sua classe di precisione. In termini più semplici: indica fino a che punto il TA è affidabile in una condizione di guasto.

Per i TA di classe di protezione (classe 5P e 10P secondo la norma IEC), l'errore composito all'ALF non deve essere superiore a 5% o 10% rispettivamente. Oltre la soglia ALF, il nucleo del TA si satura, la corrente secondaria diventa distorta e i relè di protezione possono non intervenire o, peggio, intervenire in modo errato.

Parametri tecnici chiave definiti

• Corrente primaria nominale (I₁ₙ): Corrente nominale di funzionamento, ad esempio 400A, 600A, 1200A
• Onere nominale (Sₙ): Il carico nominale in VA che il TA è progettato per pilotare, ad esempio 15VA, 30VA.
• Classe di precisione: 5P o 10P per i TA di protezione; definisce l'errore composito ammissibile
• ALF (Accuracy Limiting Factor): In genere 5, 10, 20 o 30 - stampigliati sulla targhetta
• Fattore di sicurezza dello strumento (FS): Rilevante per la misurazione dei TA; concetto opposto a quello di ALF
• Materiale del nucleo: Acciaio al silicio a grani orientati laminato a freddo³ (CRGO) - determina il comportamento di saturazione
• Sistema di isolamento: Colata in resina epossidica, classificata per 12kV / 24kV / 36kV secondo IEC 60044 / IEC 61869
• Valutazione termica: Classe E (120°C) o Classe F (155°C), a seconda dell'ambiente di installazione.

Un TA con ALF = 20 e corrente nominale 400A manterrà la precisione fino a Corrente di guasto primaria 8.000A - una specifica che deve corrispondere alla corrente di cortocircuito prevista per il sistema.

Come viene calcolato l'ALF? Formula e parametri fondamentali spiegati?

L'ALF non è una costante fisica fissa, ma varia a seconda del carico effettivo collegato rispetto al carico nominale. Questo è l'aspetto più incompreso delle specifiche dei TA nei sistemi di protezione MT.

Formula ALF di base (IEC 61869-2)

Il ALF effettivo in base all'onere operativo reale è calcolato come segue:

$ALF_{attuale} = ALF_{valutato} \tempo \frac{R_{ct} + R_{burden_rated}}{R_{ct} + R_{burden_attuale}}$

Dove:

• $ALF_{valutato}$ = valore ALF di targa
• $R_{ct}$ = resistenza dell'avvolgimento secondario (Ω) - misurata a 75°C
• $R_{burden_rated}$ = resistenza equivalente del carico nominale alla corrente secondaria nominale
• $R_{burden_actual}$ = resistenza di carico effettiva collegata (relè + resistenza del cavo)

Conversione della resistenza al carico

Per un TA con carico nominale Sₙ = 15VA a I₂ₙ = 5A:

$R_{burden_rated} = \frac{S_n}{I_{2n}^2} = \frac{15}{25} = 0,6 , \Omega$

Se l'onere effettivo collegato (bobina del relè + cavo) = 0.3Ω, allora:

$ALF_{attuale} = 20 ´times \frac{0,4 + 0,6}{0,4 + 0,3} = 20 ´times \frac{1.0}{0.7} \circa 28,6$

Ciò significa che un un onere effettivo inferiore aumenta l'ALF effettivo - un'intuizione critica per gli ingegneri che sovraccaricano le loro CT.

Confronto: Classi di protezione CT

Parametro	Classe 5P	Classe 10P
Errore composito in ALF	≤ 5%	≤ 10%
Limite di spostamento di fase	±60 min	Non specificato
Gamma ALF tipica	10-30	5-20
Applicazione	Protezione differenziale/distanziale	Sovracorrente / Guasto di terra
Dimensione del nucleo	Più grande (saturazione inferiore)	Compatto
Costo	Più alto	Più basso

Caso cliente - Appaltatore EPC, progetto di sottostazione nel sud-est asiatico:
Un appaltatore ha specificato dei TA di classe 10P20 per uno schema di protezione di un alimentatore a 24kV che utilizzava relè a distanza numerica. Durante la messa in servizio, i tecnici dei relè hanno scoperto che l'onere effettivo (compresi i tratti di cavo di 40 metri) era pari solo a 35% dell'onere nominale, spingendo l'ALF effettivo a quasi 34. Il TA era tecnicamente sovraperformante, ma l'onere originale non era stato calcolato. Il TA era tecnicamente sovraperformante, ma l'ALF originale era stato calcolato in base a una serie di criteri. coordinamento dei relè⁴ I calcoli basati su ALF=20 dovevano essere rivisti. Il team tecnico di Bepto ha fornito curve ALF ricalcolate e dati aggiornati sul coordinamento dei relè, evitando la ripetizione dell'intero studio di protezione. Lezione: calcolare sempre l'ALF effettivo, non solo quello di targa.

Come selezionare l'ALF giusto per la vostra applicazione?

La scelta dell'ALF è una decisione a livello di sistema, non solo una scelta di targa del TA. Ecco un approccio strutturato utilizzato in progetti reali di ingegneria della protezione MT.

Fase 1: Definizione del livello di errore del sistema

• Ottenere il massima corrente di cortocircuito prospettica (Isc) al punto di installazione del TA
• Calcolare l'ALF richiesto: $ALF_{richiesta} = \frac{I_{sc}}{I_{1n}}$
• Esempio: Isc = 16kA, I₁ₙ = 800A → ALF richiesto = 20

Fase 2: Determinazione dell'onere effettivo

• Misurare il carico del relè (VA o Ω dalla scheda tecnica del relè)
• Calcolare la resistenza del cavo: $R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$ (rame, 0,0175 Ω-mm²/m)
• Somma di tutte le impedenze serie dell'anello secondario

Fase 3: Calcolo dell'ALF effettivo e verifica del margine

• Applicare la formula ALF di cui sopra
• Garantire ALF_attuale ≥ ALF_richiesto × 1,1 (si raccomanda un margine di sicurezza di 10%)
• Se il margine è insufficiente: aumentare la classe di carico nominale del TA o selezionare un ALF di targa più elevato.

Fase 4: corrispondenza tra standard e classificazioni ambientali

• IEC 61869-2 per la protezione Prestazioni CT
• IP65 minimo per ambienti interni di quadri MT
• IP67 o IP68 per installazioni all'aperto o costiere (nebbia salina secondo IEC 60068-2-52)
• Tensione di isolamento: confermare le corrispondenze di classe 12kV / 24kV / 36kV del sistema Um

Raccomandazioni ALF specifiche per l'applicazione

• Distribuzione industriale MT (6-12kV): Classe 5P20, 15VA - per la protezione del motore e la sovracorrente dell'alimentatore
• Sottostazione della rete elettrica (33-36kV): Classe 5P30, 30VA - per la protezione a distanza e differenziale
• Raccolta di MV della fattoria solare: Classe 10P10, 10VA - livelli di guasto inferiori, ottimizzazione dei costi
• Piattaforma marina / offshore: Classe 5P20 con incapsulamento epossidico, IP67, montaggio antivibrante
• Sottostazione urbana sotterranea: CT compatto in resina epossidica, classe 5P20, design del nucleo ottimizzato per lo spazio

Quali sono gli errori più comuni nelle specifiche e nell'installazione degli ALF?

Lista di controllo per l'installazione e la messa in servizio

1. Verificare i dati di targa - Confermare ALF, classe di precisione, carico nominale e Rct prima dell'installazione.
2. Misurare l'onere secondario effettivo - utilizzare un misuratore di carico o calcolare in base ai dati del relè e del cavo
3. Ricalcolo dell'ALF effettivo - Non dare mai per scontato che l'ALF di targa sia uguale all'ALF di esercizio.
4. Eseguire il controllo della polarità - L'errata polarità del TA causa il malfunzionamento del relè differenziale
5. Condotta test di iniezione secondaria⁵ - verificare l'intervento del relè ai multipli di guasto calcolati
6. Controllare la protezione a circuito aperto - non aprire mai il secondario del TA in condizioni di primario sotto tensione

Errori comuni delle specifiche da evitare

• Sottodimensionamento dell'ALF per alimentatori ad alto livello di errore - Il TA si satura durante il guasto, il relè non interviene entro il tempo richiesto
• Ignorare la resistenza del cavo nel calcolo dell'onere - particolarmente critico per i TA situati lontano dai pannelli dei relè (corse >20m)
• Miscelazione di TA secondari da 5A e 1A nello stesso schema di protezione - provoca un grave disallineamento degli oneri
• Specificare il TA di classe di misura (classe 0,5 o 1,0) per i circuiti di protezione - questi hanno un elevato FS (fattore di sicurezza dello strumento) progettato per saturare precocemente, al contrario di ciò che serve per la protezione
• Trascurando la correzione della temperatura per Rct - La resistenza dell'avvolgimento aumenta ~20% da 20°C a 75°C, influenzando l'ALF effettivo.

Caso cliente - Responsabile acquisti, espansione di un impianto industriale:
Un responsabile degli acquisti ha acquistato dei TA da un fornitore a basso costo senza verificare i valori di Rct. La Rct dichiarata dal fornitore era di 0,3Ω; il valore effettivo misurato era di 0,72Ω. Ciò ha spostato l'ALF effettivo dal valore calcolato di 22 a 14, al di sotto del livello multiplo di guasto richiesto. L'ingegnere addetto alla protezione ha rilevato il problema durante il FAT (Factory Acceptance Testing), ma ha causato un ritardo di 3 settimane nella consegna delle unità sostitutive. Bepto fornisce Rapporti di prova completi che comprendono la misurazione della Rct, le curve di eccitazione e la verifica dell'errore composito con ogni spedizione di CT.

Conclusione

La corretta determinazione dell'ALF fa la differenza tra un sistema di protezione che funziona correttamente durante un guasto e uno che si guasta nel momento peggiore. Per la distribuzione di energia in media tensione, l'affidabilità della protezione dipende dall'accuratezza del calcolo dell'ALF utilizzando valori di carico reali, non solo i dati di targa. Sia che stiate progettando uno schema di protezione di una sottostazione, sia che stiate specificando i TA per un pannello industriale di media tensione, sia che stiate esaminando un sistema di raccolta di un parco solare, l'applicazione della metodologia ALF IEC 61869-2 garantisce che i vostri trasformatori di corrente funzionino quando è più importante.

Domande frequenti sul fattore di limitazione dell'accuratezza della TC

1. Requisiti tecnici dettagliati per i trasformatori di strumenti secondo la Commissione Elettrotecnica Internazionale. ↩

2. Comprendere la definizione matematica dell'errore totale del trasformatore di corrente secondo gli standard IEC. ↩

3. Esplorazione delle caratteristiche di saturazione magnetica e dell'orientamento dei grani delle anime di acciaio elettrico. ↩

4. Imparare a coordinare i dispositivi di protezione per ridurre al minimo i tempi di fermo del sistema durante gli eventi di guasto. ↩

5. Procedure passo-passo per la verifica della funzionalità dei relè di protezione e dell'integrità dei TA in loco. ↩