Guida al calcolo degli oneri dei trasformatori strumentali per i sistemi di protezione MT

Introduzione

Il calcolo dell'onere è uno dei compiti ingegneristici più frequentemente fraintesi - e con maggiori conseguenze - nella progettazione dei sistemi di protezione in media tensione. Ogni dispositivo collegato al circuito secondario di un TA o di un VT aggiunge impedenza e quando il carico totale supera i VA nominali del trasformatore, la precisione si riduce, i nuclei si saturano e i relè di protezione ricevono segnali distorti che possono causare pericolosi errori di funzionamento.

La risposta è diretta: il carico del trasformatore è il carico totale in Volt-Amp imposto al circuito secondario e deve sempre rimanere all'interno del carico nominale del trasformatore per garantire la conformità alla classe di precisione e un rilevamento affidabile dei guasti.

Per gli ingegneri elettrici e gli appaltatori EPC che specificano i quadri MT, sbagliare l'onere non è un piccolo problema di calibrazione, ma un guasto all'affidabilità del sistema. Questa guida illustra la metodologia completa di calcolo dell'onere, le insidie più comuni e i criteri di selezione per garantire che le installazioni di TA e VT funzionino esattamente come previsto.

Indice dei contenuti

• Che cos'è il carico del trasformatore strumentale e come viene definito?
• Come si calcola l'onere di CT e VT passo dopo passo?
• In che modo l'onere influisce sulla classe di precisione del TA e sulle prestazioni di protezione?
• Quali sono gli errori più comuni nel calcolo degli oneri nei sistemi MT?

Che cos'è il carico del trasformatore strumentale e come viene definito?

L'onere è l'impedenza esterna totale - espressa in Volt-Ampere (VA) o Ohm (Ω) - collegato ai terminali secondari di un trasformatore per strumenti. Rappresenta la somma di tutti i carichi che il trasformatore deve gestire mantenendo la sua precisione nominale. Per un TA, questo include tutti i dispositivi e i conduttori del circuito secondario. Per un VT, comprende tutte le apparecchiature di misura e protezione collegate in parallelo.

La comprensione del peso inizia con la comprensione dei due modi in cui si esprime:

• Onere di VA: Potenza apparente totale consumata dal circuito secondario alla corrente o alla tensione nominale del secondario
• Impedenza di carico (Ω): Resistenza e reattanza totali del circuito secondario, utilizzate per i calcoli dettagliati.

Parametri tecnici chiave che regolano l'onere della TC per IEC 61869-2¹:

• Onere nominale: I VA massimi che il TA può fornire mantenendo la classe di precisione indicata (ad esempio, 15VA, 30VA).
• Valutazione corrente secondaria²: Valori standard di 1A o 5A - l'impedenza di carico scala con il quadrato di questo valore
• Classe di precisione: 0,2, 0,5 per la misurazione; 5P, 10P per la protezione - ognuno ha un intervallo di carico definito
• Fattore di potenza del carico: Tipicamente 0,8 di lagging per la classe di protezione; 1,0 per i carichi resistivi
• Fattore limite di precisione nominale (ALF³): Inversamente proporzionale all'onere effettivo - aumenta quando l'onere diminuisce
• Livello di isolamento: Classe 12kV / 24kV / 36kV per applicazioni MT
• Corrente nominale continua termica: ≥1,2× corrente primaria nominale
• Distanza di dispersione: ≥25mm/kV per ambienti interni standard (IEC 60815)

Un punto critico ma spesso trascurato: l'onere non è risolto dal solo relè. La resistenza del cavo secondario, la resistenza dei contatti dei terminali e l'impedenza combinata di tutti i dispositivi collegati in serie sono tutti fattori che contribuiscono. Ignorare l'onere del cavo è la causa più comune di violazione della classe di precisione nelle installazioni sul campo.

Come si calcola l'onere di CT e VT passo dopo passo?

Il calcolo degli oneri segue un processo strutturato. Ecco la metodologia completa utilizzata per la protezione MT e i circuiti CT di misurazione.

Fase 1: Elenco di tutti i dispositivi del circuito secondario

Identificare tutti i dispositivi collegati al circuito secondario del TA:

• Relè di protezione (distanza, sovracorrente, differenziale)
• Misuratore di energia o analizzatore di qualità dell'energia
• Trasduttore o trasmettitore
• Amperometro (se applicabile)
• CT di interposizione (se applicabile)

Fase 2: ottenere il VA o l'impedenza nominale di ciascun dispositivo

Ogni produttore di dispositivi fornisce un carico nominale alla corrente secondaria nominale. Convertire tutti i valori in impedenza (Ω) utilizzando:

$Z = \frac{VA}{I_s^2}$

Dove $I_s$ è la corrente nominale del secondario (1A o 5A).

Esempio: circuito secondario da 5A:

Dispositivo	Onere nominale (VA)	Impedenza (Ω)
Relè di protezione della distanza	1,0 VA	0.040 Ω
Relè di sovracorrente	0,5 VA	0.020 Ω
Contatore di energia	1,5 VA	0.060 Ω
Cavo secondario (2×30 m, 2,5 mm²)	—	0.432 Ω
Resistenza dei contatti dei terminali	—	0.010 Ω
Onere totale	—	0.562 Ω

Convertire l'impedenza totale in VA: $VA_{totale} = Z_{totale} \´times I_s^2 = 0,562 ´times 25 = 14,05 VA$

Fase 3: Calcolo dell'onere dei cavi

La resistenza del cavo è calcolata come:

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

Dove:

• $L$ = lunghezza del cavo unidirezionale (metri)
• $rho$= resistività del rame =$0,0172\\Omega \cdot mm^2/m$
• $A$ = sezione trasversale del cavo (mm²)

Per una tratta di 30 m a senso unico con rame da 2,5 mm²: $R_{cavo} = \frac{2 \times 30 \times 0.0172}{2.5} = 0,413 \Omega$

Fase 4: Verifica dell'onere stimato

L'onere totale calcolato deve soddisfare: $VA_{effettivo} \VA_{valutato}$

Se l'onere effettivo supera l'onere nominale, le opzioni includono:

• Aumento della sezione del cavo (riduce il carico di resistenza)
• Specificare un TA con carico nominale più elevato
• Riduzione del numero di dispositivi collegati in serie
• Passaggio da 5A a 1A secondario (riduce l'onere del cavo di un fattore 25)

Fase 5: Verifica dell'ALF effettivo

L'ALF effettivo cambia con il carico. La relazione secondo IEC 61869-2 è:

$ALF_{attuale} = ALF_{valutato} \´tempo ´frac{VA_{rated} + VA_{internal}}{VA_{actual} + VA_interno}}$

Dove $VA_{interno}$ è l'onere dell'avvolgimento interno del TA (da scheda tecnica). Questo passaggio è fondamentale per protezione a distanza⁴ e applicazioni di protezione differenziale.

Confronto tra il calcolo dell'onere di TC e VT

Parametro	Calcolo dell'onere della TAC	Calcolo dell'onere VT
Topologia del circuito	Anello di serie	Collegamento in parallelo
Espressione dell'onere	VA o Ω (impedenza in serie)	VA o Ω (impedenza parallela)
Impatto del cavo	L'alta resistenza in serie aggiunge direttamente	Basso - dominano i carichi paralleli
Standard secondario	1A o 5A	100V o 110V
Rischio chiave	Saturazione del nucleo per eccesso di carico	Caduta di tensione e perdita di precisione
Standard di riferimento	IEC 61869-2	IEC 61869-3

Caso cliente - Errore di carico in un pannello di protezione di un alimentatore a 33kV:
Un responsabile degli acquisti di un'azienda EPC del Nord Africa ci ha contattato dopo che il sistema di protezione del feeder da 33kV appena messo in funzione ha mostrato errori di precisione persistenti nella misurazione dell'energia: le letture erano costantemente inferiori di 34%. Le indagini hanno rivelato che il percorso del cavo secondario era di 45 metri (più lungo dei 20 metri previsti dal progetto originale), aggiungendo 0,62Ω di carico di resistenza non contabilizzato. Il TA installato aveva una potenza nominale di 15VA, ma il carico effettivo ha raggiunto i 22VA, spingendo il TA al di fuori della sua classe di precisione 0,5. Bepto ha fornito dei TA sostitutivi da 30VA con specifiche corrispondenti, e la precisione di misurazione è tornata a 0,2%, ben al di sotto dei requisiti di fatturazione.

In che modo l'onere influisce sulla classe di precisione del TA e sulle prestazioni di protezione?

La relazione tra carico e prestazioni del TA non è lineare: si tratta di un effetto soglia. Entro il carico nominale, il TA mantiene la sua classe di precisione dichiarata. Oltre il carico nominale, gli errori aumentano rapidamente e in condizioni di guasto, saturazione del nucleo⁵ si verifica prima di quanto ipotizzato dalla specifica ALF.

Per la protezione a distanza, in particolare, ciò ha conseguenze operative dirette:

• Sottocarico: L'ALF effettivo aumenta - in genere è vantaggioso, ma l'impedenza di ingresso del relè deve essere comunque rispettata
• A carico nominale: Il CT funziona esattamente secondo le specifiche della classe di precisione
• Sovraccarico (110-150%): L'errore composito supera il limite della classe; la lettura dei contatori non è corretta
• Grave sovraccarico (>150% valutato): Il nucleo si satura in condizioni di guasto; il relè di protezione riceve una forma d'onda tagliata; il calcolo dell'impedenza non riesce; il relè di distanza potrebbe non intervenire Zona 1

Impatto sull'affidabilità della protezione per livello di carico

Livello di carico	Precisione di misurazione	Protezione CT Comportamento	Risposta del relè a distanza
<80% nominale	All'interno della classe	ALF effettivamente superiore	Viaggio affidabile nella zona 1
80-100% Valutato	All'interno della classe	Per specifiche	Viaggio affidabile nella zona 1
100-130% Valutato	Errore marginale	Riduzione dell'ALF effettiva	Possibile ritardo della zona 1
>150% nominale	Errore significativo	Saturazione precoce	Rischio di funzionamento errato

La raccomandazione pratica per le applicazioni critiche per la protezione: progetto a 75-80% del carico nominale massimo, preservando il margine per future aggiunte di relè o per il rifacimento dei cavi che aumentano la resistenza.

Caso del cliente - Errore di funzionamento della protezione dovuto a un onere eccessivo:
Un'azienda fornitrice di energia elettrica nel sud-est asiatico ha segnalato che un relè di distanza di una linea aerea da 22kV non riusciva a eliminare i guasti ravvicinati entro il tempo della Zona 1, passando alla Zona 2 (ritardo di 400ms). Un'analisi dettagliata della messa in servizio ha rivelato che il circuito secondario del TA comprendeva tre relè, un trasduttore e un cavo di 38 metri, per un carico totale di 28VA contro un TA da 15VA. Il TA si saturava a circa 8 volte la corrente nominale, ben al di sotto della capacità di 20 volte prevista dalle specifiche del 5P20 per il carico nominale. La sostituzione con i TA Bepto 5P20 da 30VA ha risolto completamente il problema della temporizzazione della Zona 1.

Quali sono gli errori più comuni nel calcolo degli oneri nei sistemi MT?

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

1. Misurare la lunghezza effettiva del cavo - non utilizzare mai le stime dei disegni di progetto per il calcolo degli oneri
2. Misurare la resistenza del conduttore con un ohmmetro a bassa resistenza prima della messa in tensione
3. Verificare l'effettivo carico di ingresso di ciascun relè dalla scheda tecnica del produttore - non dai riassunti del catalogo
4. Calcolare l'onere totale alla corrente nominale del secondario prima di specificare il valore VA del TA
5. Eseguire il test di iniezione secondaria verificare il rapporto, la polarità e l'accuratezza del TA al momento della messa in servizio
6. Documentazione dell'onere as-built per un futuro riferimento alla manutenzione

Errori comuni che compromettono l'affidabilità

• Ignorare l'onere dei cavi: Nei circuiti secondari da 5 A, una tratta di cavo di 30 metri può contribuire con 8-15 VA, spesso superando il carico dei relè.
• Miscelazione di dispositivi 1A e 5A: Il collegamento di un relè da 5A a un secondario CT da 1A causa un grave sovraccarico e un potenziale danno al relè.
• Supponendo che l'onere del relè sia uguale all'onere totale: La dimenticanza di misuratori, trasduttori e resistenze dei terminali è estremamente comune.
• Non ricalcolare l'ALF dopo le modifiche dell'onere: L'aggiunta di un relè durante un aggiornamento del sistema senza ricontrollare l'ALF efficace è un rischio di protezione nascosto.
• Utilizzo del metodo di calcolo dell'onere VT per le CT: Topologia in serie e topologia in parallelo: l'approccio di calcolo è fondamentalmente diverso
• Trascurare gli effetti della temperatura: La resistenza del rame aumenta di circa 0,4% per °C - nelle installazioni ad alta temperatura, l'onere del cavo a 60°C è misurabilmente più elevato rispetto a 20°C

Conclusione

L'accuratezza del calcolo dell'onere non è una raffinatezza ingegneristica opzionale: è un requisito fondamentale per la conformità alla classe di precisione dei trasformatori strumentali e per l'affidabilità del sistema di protezione nella distribuzione di energia in media tensione. L'insegnamento fondamentale è: calcolare sempre l'onere secondario totale, compresa la resistenza del cavo, verificare l'ALF effettivo per le applicazioni di protezione e progettare con un massimo di 75-80% dell'onere nominale del TA per mantenere un rilevamento affidabile dei guasti. In Bepto Electric, ogni TA che forniamo include le specifiche di carico complete di datasheet e i valori di resistenza interna degli avvolgimenti, fornendo al vostro team di ingegneri tutto il necessario per eseguire calcoli di carico accurati fin dal primo giorno.

Domande frequenti sul calcolo del carico del trasformatore strumentale

1. Per saperne di più sullo standard internazionale che regola i requisiti dei trasformatori di corrente ↩

2. Comprendere come la selezione dei livelli di uscita secondari influisca sul carico del sistema. ↩

3. Identificare come i limiti di saturazione influenzano l'accuratezza dei trasformatori di protezione. ↩

4. Esplorare come l'impedenza calcolata identifica le posizioni dei guasti nelle linee di distribuzione ↩

5. Prevenzione della distorsione del segnale causata dalle limitazioni magnetiche del nucleo del trasformatore ↩