Calcolo dell'onere secondario del trasformatore di corrente

Introduzione

Nei sistemi di protezione in media tensione, anche un trasformatore di corrente perfettamente specificato può non fornire segnali di guasto affidabili se il carico secondario è calcolato in modo errato. Il carico secondario - l'impedenza totale collegata ai terminali secondari del TA - determina direttamente se il TA mantiene la precisione durante le condizioni di guasto o se si satura e invia segnali corrotti ai relè di protezione. Per gli ingegneri elettrici che progettano schemi di protezione MT e per i responsabili degli approvvigionamenti di TA per le sottostazioni industriali o le alimentazioni della rete elettrica, un calcolo errato dell'onere è uno degli errori di specifica più comuni e più conseguenti sul campo. Questa guida fornisce una metodologia strutturata e di livello ingegneristico per il calcolo dell'onere secondario dei TA, che copre ogni componente di resistenza nell'anello secondario, e per la traduzione di tale calcolo in una corretta specifica del TA secondo la norma IEC 61869-2.

Indice dei contenuti

• Che cos'è la CT Secondary Burden e che cosa comprende?
• Come si calcola l'onere secondario totale passo dopo passo?
• In che modo il carico secondario influisce sulla selezione dei TA per la protezione della MT?
• Quali sono gli errori più comuni di calcolo degli oneri nei circuiti di protezione?

Che cos'è la CT Secondary Burden e che cosa comprende?

L'onere secondario della TC è il impedenza totale (espressa in VA o Ω) presentata all'avvolgimento secondario del TA da tutti i dispositivi e i conduttori collegati nel circuito secondario. Non si tratta semplicemente dell'impedenza della bobina del relè, ma della somma di tutti gli elementi resistivi e reattivi che la corrente secondaria deve attraversare.

Per IEC 61869-2¹, L'onere nominale (Sₙ) di un TA di protezione è definito alla corrente secondaria nominale (tipicamente 1A o 5A) e al fattore di potenza nominale (solitamente cos φ = 0,8). Il TA deve mantenere la sua classe di precisione fino a questo valore di carico. Se lo si supera, l'ALF effettivo si riduce, potenzialmente al di sotto dei requisiti del livello di guasto del sistema.

Componenti dell'onere secondario della CT

L'onere secondario totale comprende quattro elementi distinti:

• Onere del relè (S_relay): Il consumo di VA di tutti i relè di protezione collegati - sovracorrente, guasto a terra, differenziale, distanza. Moderno relè di protezione numerici² consumano in genere 0,1-0,5 VA per fase; i relè elettromeccanici possono consumare 3-10 VA.
• Onere del cavo (R_cavo): Resistenza del cablaggio secondario tra i terminali del TA e il pannello del relè - spesso il più grande componente di onere singolo nelle installazioni sul campo
• Morsettiera e resistenza di collegamento (R_terminale): Piccolo ma non trascurabile nelle catene secondarie lunghe; in genere 0,01-0,05Ω per coppia di morsetti.
• Resistenza dell'avvolgimento secondario del TA (R_ct): Resistenza dell'avvolgimento interno del TA stesso - non fa parte dell'onere esterno ma è fondamentale per il calcolo dell'ALF; misurata a 75°C secondo lo standard IEC.

Specifiche tecniche chiave da confermare

• Corrente secondaria nominale: 1A o 5A - questa scelta influisce notevolmente sul carico del cavo (il secondario da 5A produce una caduta di tensione del cavo 25 volte superiore a quella di 1A a parità di resistenza)
• Sistema di isolamento: Colata in resina epossidica, nominale 12kV / 24kV / 36kV secondo IEC 61869
• Classe di precisione: 5P o 10P per i circuiti di protezione
• Gamma di carico nominale: Valori standard - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Temperatura di esercizio: Classe E (120°C) o Classe F (155°C) - influisce sul fattore di correzione Rct

Come si calcola l'onere secondario totale passo dopo passo?

Un calcolo rigoroso dell'onere secondario segue un processo in quattro fasi. Ciascuna fase deve essere completata prima che la specifica della CT sia finalizzata: saltare una qualsiasi fase comporta il rischio di una sottospecificazione.

Fase 1: determinazione dell'onere del relè

Ottenere il consumo di VA dalle schede tecniche dei produttori di relè per ciascun dispositivo collegato:

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

Convertire i VA in resistenza alla corrente nominale del secondario:

$R_{relay} = \frac{S_{relay}}{I_{2n}^2}$

Esempio: Relè di sovracorrente numerico = 0,3VA, relè di guasto a terra = 0,2VA, totale = 0,5VA
Con I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0.5}{25} = 0.02 , \Omega$
A I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Fase 2: Calcolo della resistenza del cavo

Questa è la fase di calcolo più critica, soprattutto per le installazioni in cui i TA sono situati lontano dai pannelli dei relè:

$R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Dove:

• $L$ = lunghezza del cavo unidirezionale (metri)
• $\rho$ = resistività del rame³ = 0,0175 Ω-mm²/m (a 20°C)
• $A$ = sezione trasversale del cavo (mm²)
• Fattore 2 tiene conto sia dei conduttori in uscita che di quelli in entrata

Correzione della temperatura a 75°C:

$R_{cavo,75} = R_{cavo,20} \´times [1 + 0.00393 ´times (75 - 20)]$

$R_{cavo,75} = R_{cavo,20} \´molte volte 1,216$

Esempio: 30 m di cavo, rame da 2,5 mm²:
$R_{cavo,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0,42 , \Omega$
$R_{cavo,75} = 0,42 \mesi 1,216 = 0,511 , \Omega$

Fase 3: Aggiungere la resistenza dei terminali e dei collegamenti

Per un tipico circuito secondario con 6 coppie di morsetti:

$R_{terminale} = 6 ´times 0.03 = 0.18 , ´Omega$

Fase 4: Somma degli oneri esterni totali

$R_{burden,total} = R_{relay} + R_{cavo,75} + R_{terminale}$

$R_{burden,total} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Convertire in VA alla corrente secondaria nominale:

$S_{burden,total} = R_{burden,total} \I_{2n}^2 = 0,549 ´times 25 = 13,7 , VA$

→ Specificare il carico nominale del TA ≥ 15VA (il prossimo valore standard superiore a 13,7VA)

Confronto degli oneri: secondaria 1A vs 5A

Parametro	1A Secondaria	5A Secondario
Resistenza del cavo Impatto	Basso (effetto I² minimo)	Alto (perdita di VA 25 volte superiore)
Onere della staffetta (VA→Ω)	Maggiore Ω per VA	Ω inferiore per VA
Percorso del cavo consigliato	Pratico fino a 100 m	Mantenersi idealmente al di sotto dei 30 metri
Valutazione dell'onere standard	2,5VA-15VA tipico	10VA-30VA tipico
Dimensione del nucleo	Più piccolo	Più grande
Applicazione	Installazioni remote, lunghe tratte di cavo	Installazioni di pannelli locali

Il punto chiave da cui partire: Per installazioni di TA a più di 20 metri dal pannello relè, 1A secondario è fortemente preferito - L'onere del cavo a 5A secondari può consumare l'intero budget VA nominale prima ancora che il relè riceva un segnale.

Caso cliente - Appaltatore EPC della rete elettrica, sottostazione 33kV:
Un appaltatore EPC dell'Asia meridionale ha specificato dei TA secondari da 5A per una sottostazione esterna da 33kV in cui le scatole di smistamento dei TA erano situate a 45 metri dal pannello principale dei relè. Il calcolo iniziale dell'onere (solo per il relè) indicava 8VA, ben al di sotto dell'onere nominale di 15VA. Tuttavia, l'ingegnere applicativo di Bepto ha ricalcolato includendo la resistenza del cavo: 45 m × 2,5 mm² di rame a 75°C aggiunti 1,23Ω = 30,7VA al carico. L'onere totale superava i 38VA, più del doppio del valore nominale del TA. Le specifiche sono state riviste in modo che i TA secondari 1A avessero un carico nominale di 15VA, risolvendo il problema prima della produzione. Questo singolo calcolo ha evitato un guasto completo del sistema di protezione su un alimentatore di rete in tensione.

In che modo il carico secondario influisce sulla selezione dei TA per la protezione della MT?

Una volta calcolato l'onere secondario totale, esso è direttamente collegato a tre parametri di specifica del TA: la classe di onere nominale, la selezione della classe di precisione e la verifica dell'ALF effettivo rispetto ai requisiti del livello di guasto del sistema.

Fase 1: selezionare la classe di carico nominale

Selezionare sempre il il valore di onere standard successivo rispetto all'onere totale calcolato:

• Carico calcolato = 13,7VA → Specificare 15VA
• Carico calcolato = 22VA → Specificare 30VA
• Non specificare mai un TA con carico nominale uguale al carico calcolato: questo lascia un margine nullo.

Fase 2: verifica dell'ALF effettivo rispetto al livello di guasto

Con l'onere nominale selezionato, verificare l'ALF effettivo utilizzando:

$ALF_{attuale} = ALF_{valutato} \tempo \frac{R_{ct} + R_{burden,rated}}{R_{ct} + R_{burden,actual}}$

Garantire: $ALF_{attuale} \geq \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \´quasi 1,1$

Fase 3: Raccomandazioni sugli oneri specifici dell'applicazione

• Distribuzione industriale MT (6-12kV): Secondario 5A, 15VA, Classe 5P20 - brevi percorsi di cavi in pannelli MCC compatti
• Sottostazione della rete elettrica (33-36kV): Secondario 1A, 15VA, Classe 5P30 - lunghe tratte di cavo verso sale relè remote
• Raccolta MT del parco solare (33kV): Secondario 1A, 10VA, Classe 10P10 - livelli di guasto inferiori, ottimizzazione dei costi
• Unità principale dell'anello urbano (12kV): Secondario 1A, 5VA, Classe 5P20 - TA compatto in resina epossidica, con ingombro ridotto
• Piattaforma marina / offshore: Secondario 1A, 10VA, Classe 5P20, incapsulamento epossidico IP67 - ambiente corrosivo

Impatto sull'affidabilità di una corretta specificazione degli oneri

• Il TA opera all'interno della regione lineare durante il guasto → il relè riceve un segnale preciso di corrente di guasto
• ✅ Il relè di protezione interviene entro la corretta caratteristica tempo-corrente
• ✅ La protezione differenziale mantiene la stabilità sui guasti passanti
• L'affidabilità e il tempo di attività del sistema sono preservati per l'intera gamma di livelli di guasto.
• ❌ Il TA sovraccarico si satura → il relè non legge la corrente di guasto → intervento ritardato o fallito
• ❌ Carico nominale sottospecificato → ALF effettivo ridotto → punto cieco della protezione a multipli di guasto elevati

Quali sono gli errori più comuni di calcolo degli oneri nei circuiti di protezione?

Lista di controllo per l'installazione e la verifica

1. Misurare la lunghezza effettiva del cavo - Usare i disegni di costruzione, non le stime di progetto; il percorso sul campo aggiunge 15-25% alla lunghezza calcolata.
2. Ottenere il carico del relè dalla scheda tecnica della corrente - non a memoria o da specifiche di progetti precedenti; i modelli di relè variano in modo significativo
3. Applicare la correzione della temperatura a Rct e alla resistenza del cavo - calcolare sempre a 75°C, non a temperatura ambiente
4. Conto per tutte le morsettiere - soprattutto nei chioschi di smistamento con più morsettiere intermedie
5. Verificare con il misuratore di carico durante la messa in servizio - misurare l'impedenza effettiva dell'anello secondario prima della messa in tensione
6. Controllare i collegamenti dei relè in parallelo - più relè sullo stesso secondario CT riducono l'onere totale, ma richiedono una verifica individuale

Errori comuni che causano guasti alla protezione

• Utilizzando i VA di targa dei relè senza correzione della temperatura - la resistenza della bobina del relè elettromeccanico aumenta notevolmente alla temperatura di esercizio
• Ignorare la resistenza del conduttore di ritorno - il fattore 2 nella formula del cavo viene spesso omesso, dimezzando il carico del cavo calcolato
• Supponendo che l'onere del relè numerico sia uguale all'onere del relè elettromeccanico - I relè numerici consumano da 10 a 50 volte meno VA; una sovraspecificazione dell'onere comporta uno spreco di costi, ma una sottospecificazione per la sostituzione dei relè tradizionali causa errori.
• Mancato ricalcolo dell'onere dopo il trasferimento del pannello relè - Le variazioni di lunghezza dei cavi durante la costruzione sono frequenti e devono far scattare il ricalcolo degli oneri.
• Specificare il carico del TA solo in base alla distanza della sala relè - dimenticando le scatole di derivazione intermedie, i chioschi di smistamento e le morsettiere di test

Caso cliente - Responsabile degli acquisti, impianto petrolchimico industriale:
Un responsabile degli approvvigionamenti di un impianto petrolchimico in Medio Oriente ha ordinato dei TA sostitutivi basati sulle specifiche del progetto originale del 1995: 5A secondari, 15VA, Classe 5P20. Il pannello dei relè era stato riposizionato durante un'espansione dell'impianto nel 2018, estendendo la lunghezza dei cavi da 12 a 38 metri. Nessuno ha ricalcolato il carico. Dopo la sostituzione del TA, la protezione da sovracorrente su un alimentatore del motore a 11kV non è intervenuta durante un guasto fase-fase, causando danni all'avvolgimento del motore. L'analisi successiva all'incidente ha rivelato che l'onere effettivo era di 28,4 VA, quasi il doppio del valore nominale del TA di 15 VA. Bepto ora fornisce revisione gratuita del calcolo degli oneri nell'ambito della consulenza per la sostituzione del TC, assicurando l'accuratezza delle specifiche prima dell'invio di qualsiasi ordine.

Conclusione

Il calcolo dell'onere secondario del TA non è una formalità: è una fase ingegneristica fondamentale che determina il corretto funzionamento dell'intero schema di protezione MT in condizioni di guasto. Tenendo conto sistematicamente dell'onere del relè, della resistenza del cavo alla temperatura di esercizio, della resistenza della morsettiera e verificando il risultato rispetto all'onere nominale del TA e ai requisiti ALF, gli ingegneri assicurano che i trasformatori di corrente forniscano segnali accurati e affidabili quando il sistema di alimentazione ha più bisogno di protezione. Per la distribuzione di energia in media tensione, le sottostazioni e le installazioni industriali, la corretta specificazione dell'onere è il fondamento dell'affidabilità della protezione.

Domande frequenti sul calcolo dell'onere secondario della TAC

1. Standard internazionale ufficiale per i criteri di prestazione e precisione dei trasformatori di corrente. ↩

2. I moderni dispositivi digitali hanno un consumo di VA significativamente inferiore rispetto ai modelli elettromeccanici tradizionali. ↩

3. Costante fisica standard utilizzata per calcolare la caduta di tensione e la perdita di potenza nel cablaggio secondario. ↩

4. Parametro tecnico che determina la capacità del TA di mantenere la precisione in caso di correnti di guasto elevate. ↩