Come i trasformatori di corrente consentono la protezione a distanza nei sistemi di alimentazione

Introduzione

protezione a distanza¹ è uno dei meccanismi di rilevamento dei guasti più critici nei moderni sistemi di alimentazione a media tensione e, nel suo nucleo, non può funzionare senza ingressi precisi e affidabili dei trasformatori di corrente (TA). Quando si verifica un guasto su una linea di trasmissione, il relè di protezione calcola impedenza² basati su segnali di tensione e corrente. Se questi segnali sono distorti o ritardati a causa di un TA non standard, il relè interviene inutilmente o, peggio ancora, non interviene affatto.

La risposta è chiara: i trasformatori di corrente non sono accessori passivi in uno schema di protezione a distanza, ma sono la spina dorsale del rilevamento primario che determina la corretta risposta del sistema di protezione.

Per gli ingegneri elettrici e gli appaltatori EPC che gestiscono progetti di sottostazioni MT, la scelta del TA giusto non è una casella di controllo dell'approvvigionamento, ma una decisione sull'affidabilità del sistema. Questo articolo spiega esattamente come i TA consentono la protezione a distanza, quali sono i parametri tecnici più importanti e come evitare i guasti sul campo che si verificano troppo spesso.

Indice dei contenuti

• Cos'è un trasformatore di corrente e perché è importante per la protezione a distanza?
• In che modo un TA consente il calcolo dell'impedenza negli schemi di protezione a distanza?
• Come selezionare il TA giusto per le applicazioni di protezione a distanza?
• Quali sono gli errori più comuni di installazione e manutenzione dei TA?

Cos'è un trasformatore di corrente e perché è importante per la protezione a distanza?

Un trasformatore di corrente (CT) è un trasformatore di precisione progettato per ridurre le correnti primarie elevate a livelli di uscita secondari standardizzati, tipicamente 1A o 5A - per l'utilizzo da parte di relè di protezione, sistemi di misurazione e apparecchiature di monitoraggio. In uno schema di protezione a distanza, il TA fornisce continuamente dati in tempo reale sulla grandezza della corrente e sull'angolo di fase al relè, che li incrocia con l'ingresso del trasformatore di tensione (VT) per calcolare l'impedenza di linea.

Senza un segnale CT preciso, il calcolo dell'impedenza del relè è fondamentalmente compromesso.

I parametri tecnici chiave per i TA di classe di protezione includono:

• Classe di precisione³: I TA di protezione sono classificati 5P o 10P (IEC 61869-2) e indicano un errore composito di 5% o 10% al fattore limite di precisione nominale.
• Fattore limite di precisione (ALF): Tipicamente 10, 20 o 30 - definisce quante volte la corrente nominale il TA può riprodurre accuratamente prima della saturazione.
• Onere nominale: Espressa in VA (ad esempio, 15VA, 30VA) - deve corrispondere all'impedenza di ingresso del relè
• Livello di isolamento: Valutato per sistemi a 12kV, 24kV o 36kV in applicazioni MT standard
• Rigidità dielettrica: ≥28kV (resistenza alla frequenza di potenza di 1 minuto per la classe 12kV)
• Distanza di dispersione: Minimo 25 mm/kV per ambienti con inquinamento standard (IEC 60815)
• Valutazione termica: Isolamento di classe E o B, corrente termica continua ≥1,2× nominale
• Allegato: IP65 minimo per quadri interni; IP67 per ambienti gravosi o esterni

Il materiale del nucleo - tipicamente acciaio al silicio a grani orientati⁴ o lega nanocristallina - determina direttamente saturazione⁵ comportamento in condizioni di guasto, che è il fattore più critico per le prestazioni della protezione a distanza.

In che modo un TA consente il calcolo dell'impedenza negli schemi di protezione a distanza?

I relè di protezione a distanza funzionano secondo un principio ingannevolmente semplice: Z = V / I. Il relè divide continuamente il segnale di tensione (dal VT) per il segnale di corrente (dal TA) per calcolare l'impedenza apparente. Quando si verifica un guasto, l'impedenza si abbassa bruscamente. Se rientra in una zona predefinita, il relè emette un comando di intervento.

Ciò significa che l'accuratezza del TA in condizioni di guasto, quando la corrente può aumentare fino a 10-20 volte il valore nominale, non è negoziabile. Un TA che si satura a 8 volte la corrente nominale su un sistema con un requisito ALF di 20 produrrà una forma d'onda secondaria distorta, inducendo il relè a calcolare male l'impedenza e potenzialmente a non eliminare il guasto entro il tempo della Zona 1 (in genere <100 ms).

Confronto delle prestazioni dei TA per la protezione a distanza

Parametro	Misuratore standard CT	TA di protezione (5P20)	CT ad alte prestazioni (5P30)
Classe di precisione	0.2 / 0.5	5P	5P
Fattore limite di precisione	5	20	30
Comportamento di saturazione	Saturazione precoce	Moderato	Gamma lineare estesa
Applicazione	Misurazione dell'energia	Protezione MT standard	Sistemi ad alto livello di errore
Materiale del nucleo	Acciaio al silicio	Acciaio a grana orientata	Lega nanocristallina
Onere tipico	5-15VA	15-30VA	15-30VA

I TA di classe Metering sono mai sostituti accettabili nelle applicazioni di protezione a distanza - un errore che vediamo ripetutamente nelle decisioni di acquisto basate sui costi.

Caso cliente - Guasto di affidabilità in una sottostazione a 35kV:
Un appaltatore di energia elettrica nel sud-est asiatico ci ha contattato dopo aver riscontrato ripetuti interventi fastidiosi su un feeder da 35kV. I TA installati erano dei tipi di misurazione di classe 0,5 acquistati da un fornitore a basso costo. In condizioni di guasto, questi TA si saturavano a circa 6 volte la corrente nominale, producendo una forma d'onda distorta che causava l'errata lettura dell'impedenza da parte del relè di distanza e l'intervento della Zona 2 anziché della Zona 1, aggiungendo un ritardo di 400 ms all'eliminazione del guasto. Dopo la sostituzione con TA Bepto 5P20 di classe di protezione con nuclei nanocristallini, i tempi di intervento della Zona 1 sono tornati a 85 ms e gli interventi di disturbo sono stati completamente eliminati.

Come selezionare il TA giusto per le applicazioni di protezione a distanza?

La scelta di un TA per la protezione a distanza richiede un approccio ingegneristico strutturato. Ecco il processo passo-passo che raccomandiamo a tutti gli appaltatori EPC e agli ingegneri addetti agli approvvigionamenti.

Fase 1: Definizione dei requisiti elettrici

• Tensione del sistema: Abbinare la classe di isolamento del TA alla tensione del sistema (12kV / 24kV / 36kV)
• Corrente nominale primaria: Selezionare la corrente primaria nominale ≥ la corrente di carico massima
• Livello di corrente di guasto: Determinare la massima corrente di guasto prospettica per impostare il requisito ALF
• Uscita secondaria: Conferma ingresso relè - secondario da 1A o 5A

Fase 2: Determinazione dei requisiti dello schema di protezione

• La protezione a distanza richiede classe di precisione 5P o 10P minimo
• ALF deve superare il rapporto tra la corrente di guasto massima e la corrente nominale
• La tensione del punto di ginocchio (Vk) deve soddisfare le specifiche minime del produttore del relè.

Fase 3: considerare le condizioni ambientali

• Apparecchiature di comando per interni: CT fuso in resina epossidica, IP65, classe termica E
• Ambienti esterni e difficili: Alloggiamento in gomma siliconica, IP67, resistente alla nebbia salina (IEC 60068-2-52)
• Regioni ad alta umidità: Distanza di dispersione migliorata ≥31mm/kV (Livello di inquinamento III)
• Alta temperatura ambiente: Ridurre di conseguenza la corrente termica continua

Fase 4: abbinare gli standard e le certificazioni

• IEC 61869-2: Standard primario per i TA di protezione
• IEC 60044-1: Lo standard precedente è ancora citato in molte specifiche di progetto.
• Rapporti di prova tipo: Insistere sui certificati di prova del tipo testimoniati o di terze parti

Scenari di applicazione

• Impianti industriali: CT 5P20 nei quadri di protezione del motore e dell'alimentatore
• Rete elettrica / Trasmissione: 5P30 con nucleo nanocristallino per linee ad alto livello di guasto
• Sottostazione (AIS/GIS): TA fuso in resina epossidica integrato nella boccola dell'interruttore
• Energia rinnovabile (solare/eolica): TA con rating termico esteso per profili di carico variabili
• Marine / Offshore: Alloggiamento IP67, resistente alla corrosione, con maggiore distanza di dispersione

Quali sono gli errori più comuni di installazione e manutenzione dei TA?

Anche un TA correttamente specificato può guastarsi prematuramente o degradare le prestazioni della protezione se le procedure di installazione e manutenzione non vengono seguite rigorosamente.

Lista di controllo per l'installazione

1. Verificare i valori nominali di targa corrispondere alle specifiche di progetto prima dell'installazione
2. Controllare le marcature di polarità (P1/P2, S1/S2) - l'inversione di polarità causa errori di direzione del relè
3. Confermare l'onere - L'onere totale del circuito secondario non deve superare i VA nominali
4. Non aprire mai il circuito secondario di un TA in condizioni di tensione - ne derivano pericolose sovratensioni
5. Collegamenti dei morsetti di coppia secondo le specifiche del produttore per evitare l'accumulo di resistenza di contatto.
6. Eseguire il test di resistenza di isolamento (≥100MΩ a 1000VDC prima della messa in tensione)

Errori comuni che compromettono la protezione a distanza

• Utilizzo di TA di classe metrica per la protezione: La saturazione sotto la corrente di guasto causa il malfunzionamento del relè
• Cavo secondario sottodimensionato: Aumenta l'onere, riduce l'ALF effettivo, diminuisce la precisione
• Ignorare la tensione del punto di ginocchio del TA: Il relè potrebbe non ricevere un segnale adeguato in caso di guasti ad alta impedenza.
• Saltare i test di messa in servizio: I test di iniezione secondaria devono verificare il corretto rapporto CT e la polarità prima del funzionamento sotto tensione.
• Trascurare la manutenzione periodica: Il degrado dell'isolamento dei TA in resina epossidica è graduale: è essenziale un test IR annuale.

Caso del cliente - Errore di installazione che causa un guasto alla protezione:
Un appaltatore EPC del Medio Oriente ha segnalato un'anomalia di protezione durante la messa in servizio di un'unità principale ad anello da 33kV. L'indagine ha rivelato che la polarità secondaria del TA era stata invertita durante l'installazione, facendo sì che il relè distanziatore direzionale guardasse nella direzione sbagliata. Il guasto era sul feeder protetto, ma il relè lo vedeva come un guasto inverso e bloccava l'intervento. Il team di assistenza tecnica di Bepto ha fornito una guida alla messa in servizio in loco e il problema è stato risolto nel giro di quattro ore, sottolineando il motivo per cui l'assistenza tecnica post-vendita non è facoltativa nei progetti critici per la protezione.

Conclusione

I trasformatori di corrente sono la base silenziosa di ogni schema di protezione a distanza nei sistemi di media tensione. La scelta della classe di precisione sbagliata, la sottostima dei livelli di corrente di guasto o i tagli all'installazione possono trasformare un sistema di protezione ben progettato in un problema. L'insegnamento fondamentale è: specificare i TA di classe di protezione con l'ALF corretto, abbinare con cura il carico e non scendere mai a compromessi sulla certificazione di tipo. In Bepto Electric, la nostra gamma di TA è progettata specificamente per le applicazioni di protezione MT, con il supporto dei test di tipo IEC 61869-2 e di oltre 12 anni di esperienza sul campo in progetti di distribuzione di energia globale.

Domande frequenti sui trasformatori di corrente nella protezione a distanza

1. Come i relè di protezione a distanza utilizzano l'impedenza per localizzare i guasti nei sistemi di potenza ↩

2. Calcolo dell'impedenza elettrica nelle linee di trasmissione a media tensione ↩

3. Comprensione degli standard IEC 61869-2 per la precisione dei trasformatori di strumenti ↩

4. Proprietà magnetiche e applicazioni dei nuclei di acciaio elettrico a grana orientata ↩

5. Analisi tecnica della saturazione magnetica nei nuclei dei trasformatori di corrente ↩