Un trasformatore di corrente (TA) è un trasformatore di misura che fornisce una piccola corrente secondaria in rapporto fisso con la corrente di un conduttore. Un TA 400/5, per esempio, eroga 5 A ai morsetti secondari quando lo attraversano 400 A: un contatore o un relè di protezione può così misurare una grande corrente con un piccolo ingresso, isolato dalla tensione del circuito. Il conduttore passa nel nucleo del TA e fa da primario a una spira; l'avvolgimento secondario ha molte spire, e il rapporto spire stabilisce il rapporto delle correnti. I TA si trovano nei quadri generali, nei quadri di distribuzione e nelle cabine, ovunque una corrente sia troppo grande per passare direttamente in un contatore.
Come funziona un trasformatore di corrente
La corrente nel conduttore primario crea un flusso magnetico alternato nel nucleo. Il flusso induce una tensione nell'avvolgimento secondario e, poiché il secondario è chiuso sul contatore, scorre una corrente secondaria. Questa corrente crea un flusso opposto. In un TA ideale i due si annullano esattamente e le amperspire sono in equilibrio:
Ip × Np = Is × Ns
Con una sola spira primaria (il cavo passa una volta in un TA toroidale), la corrente secondaria è la corrente primaria divisa per il numero di spire secondarie. Un TA 400/5 ha quindi 80 spire secondarie. Facendo passare il cavo due volte nella finestra si raddoppiano le amperspire primarie, e lo stesso TA si comporta come un 200/5. È un modo comune di usare un TA standard su un carico piccolo, se la finestra ha spazio per la spira in più.
Un TA è un generatore di corrente. Impone nel circuito secondario la corrente richiesta dal rapporto e sviluppa solo la tensione necessaria. Con un secondario da 5 A e un carico totale di 4,4 VA, la tensione secondaria alla corrente nominale è 4,4 ÷ 5 = 0,88 V. Un carico maggiore richiede più tensione, più flusso e più corrente magnetizzante, ed è da qui che nascono gli errori.
Errori di rapporto e di fase
Un TA reale usa una parte delle amperspire primarie per magnetizzare il nucleo. Quella corrente magnetizzante non raggiunge mai il secondario, quindi la corrente secondaria è un po' più piccola di quanto prevede il rapporto e leggermente sfasata. I due errori sono:
| Errore | Definizione | Effetto su un contatore |
|---|---|---|
| Errore di rapporto (di corrente) | (Kn × Is − Ip) ÷ Ip, in percentuale, dove Kn è il rapporto nominale | Corrente, potenza ed energia lette in difetto o in eccesso di circa quella percentuale |
| Errore d'angolo | L'angolo tra corrente primaria e secondaria, in primi d'arco | Errori di potenza ed energia che crescono al calare del fattore di potenza |
A bassa corrente la corrente magnetizzante pesa di più; per questo le classi di precisione ammettono errori maggiori al 5% della corrente nominale che al 100%. Cresce con il carico; per questo un TA caricato oltre la sua prestazione in VA perde precisione. Un traferro, come in un TA apribile, la aumenta ancora. La guida alla scelta dei trasformatori di corrente riporta i limiti della IEC 61869-2 per ogni classe a ogni corrente.
Carico e circuito secondario
Il carico è tutto ciò che è collegato al secondario: l'ingresso del contatore, i conduttori e ogni morsetto e blocco di prova nel circuito. Si esprime in VA alla corrente secondaria nominale (VA = Is² × R per un carico resistivo). Il percorso dei conduttori è spesso la parte maggiore. Un TA 400/5 che alimenta un contatore con ingresso da 1 VA tramite 10 m di rame da 2,5 mm² in andata e altrettanti in ritorno ha un anello di 20 m di circa 0,138 Ω, che aggiunge 25 × 0,138 = 3,4 VA a 5 A:
Il totale di 4,4 VA rientra in un TA da 5 VA. Gli stessi conduttori su un secondario da 1 A aggiungono solo 0,14 VA, perché la perdita cala con il quadrato della corrente; per questo i collegamenti lunghi fino al contatore favoriscono i TA da 1 A. I TA con uscita 333 mV evitano il problema: la resistenza di carico è nel TA e l'ingresso del contatore è un ingresso di tensione ad alta impedenza.
Il rapporto come moltiplicatore: un esempio pratico
Un contatore collegato a un TA 400/5 legge 3,2 A sul suo ingresso secondario. Il rapporto Kn è 400 ÷ 5 = 80, quindi la corrente primaria è 3,2 × 80 = 256 A. Se lo stesso contatore è impostato per leggere valori secondari, anche ogni valore di potenza ed energia va moltiplicato per 80: 1,5 kWh nel registro secondario sono 120 kWh nel circuito. La maggior parte dei contatori consente di inserire il rapporto del TA e applica da sé il moltiplicatore. Un rapporto errato nel contatore è uno degli errori di messa in servizio più comuni, perché le letture sembrano plausibili. La guida ai contatori con TA spiega il moltiplicatore nei contatori inserzione su TA e come verificarlo con una pinza.
Tipi di trasformatore di corrente
| Tipo | Costruzione | Dove si usa |
|---|---|---|
| Toroidale o a finestra | Un nucleo chiuso con il solo avvolgimento secondario; il cavo o la sbarra fa da primario | Quadri generali e di distribuzione in bassa tensione |
| Apribile | Un toroide che si apre attorno a un conduttore in tensione | Aggiunta di misure senza interruzione |
| A barra passante | Un toroide con una sbarra integrata come primario | Quadri assemblati in officina |
| A primario avvolto | Un primario di più spire per piccole correnti nominali | Piccole correnti nominali, per esempio da 5 A a 50 A |
| Passante per isolatore | Un TA toroidale attorno all'isolatore passante di un trasformatore o di un interruttore | Impianti in media e alta tensione |
| Sommatore | Somma i secondari di più TA in un'unica uscita | Un contatore per più partenze |
| A bassa potenza (uscita in mV) | Un TA toroidale o apribile con carico interno e uscita in tensione, per esempio 333 mV | Sottocontabilizzazione e monitor con ingressi in tensione |
Anche una bobina di Rogowski misura la corrente attorno a un conduttore, ma non ha nucleo di ferro, non può saturarsi e fornisce una tensione proporzionale alla velocità di variazione della corrente. La IEC 61869-10 la tratta come un trasformatore di corrente passivo a bassa potenza con nucleo in aria, ma si comporta diversamente da un TA con nucleo di ferro: il suo segnale va integrato, dal contatore o da un integratore separato, per ottenere la corrente.
TA di misura e TA di protezione
| TA di misura | TA di protezione | |
|---|---|---|
| Scopo | Fatturazione e monitoraggio precisi con carico normale | Corretto intervento dei relè durante i guasti |
| Campo di precisione | Dall'1% o dal 5% al 120% della corrente nominale | Fino al fattore limite di precisione, per esempio 10 o 20 volte la corrente nominale |
| Classi tipiche (IEC 61869-2) | 0,2S, 0,5S, 0,5, 1 | 5P10, 5P20, 10P10; PX per applicazioni con punto di ginocchio definito |
| Comportamento con corrente di guasto | Si satura presto, limitato dal fattore di sicurezza (FS 5, FS 10), per proteggere il contatore | Resta lineare perché il relè veda la corrente reale |
Un TA di classe 5P10 ha un errore composto non superiore al 5% fino a 10 volte la corrente nominale con il carico nominale. Il punto di ginocchio è il punto della curva di magnetizzazione in cui un aumento del 10% della tensione secondaria richiede un aumento del 50% della corrente magnetizzante: oltre, il nucleo si satura. Usa TA di misura per il monitoraggio energetico e lascia i TA di protezione ai relè di protezione.
Sicurezza e polarità dei TA
Non aprire mai il circuito secondario di un TA da 1 A o 5 A mentre scorre la corrente primaria. Senza corrente secondaria che si opponga, tutte le amperspire primarie portano il nucleo in saturazione, e il secondario produce picchi di tensione che possono raggiungere centinaia o migliaia di volt. Prevedi una morsettiera di cortocircuito o un blocco di prova per cortocircuitare il secondario prima di rimuovere un contatore, e metti a terra ogni circuito secondario in un solo punto, di solito S2 o il centro stella.
La polarità conta per potenza ed energia. Il morsetto primario P1 (K sui TA più vecchi) è rivolto verso l'alimentazione e il morsetto secondario S1 (k) va all'ingresso di corrente del contatore. Un TA montato al contrario dà una potenza negativa su quella fase, e TA scambiati tra le fasi danno un fattore di potenza errato. La guida alla potenza negativa mostra come riconoscere entrambi i casi nelle letture.
I TA con EpiSensor
Il monitor elettrico ZEM viene fornito con i suoi sensori di corrente, TA apribili fino a 120 A o bobine di Rogowski fino a 3000 A, già collegati e tarati: il rapporto è impostato in fabbrica e contatore e sensori sono provati come un'unica catena di misura. Lo strumento Selezione del trasformatore di corrente trova il sensore adatto a un conduttore, e la guida a sezione e apertura del TA collega la sezione del cavo all'apertura. Se ci sono già TA collegati a un contatore, leggi invece il contatore, via Modbus o tramite la sua uscita a impulsi.
Domande frequenti
A che cosa serve un trasformatore di corrente?
Riduce una grande corrente alternata a una piccola che un contatore o un relè possono misurare in sicurezza, con un rapporto fisso come 400 A a 5 A. Isola inoltre lo strumento dalla tensione del conduttore primario: il cablaggio del contatore porta pochi ampere a pochi volt invece dell'intera corrente del circuito alla tensione di rete.
Come funziona un trasformatore di corrente?
La corrente primaria crea un flusso magnetico nel nucleo. Il flusso induce una corrente nell'avvolgimento secondario, che passa nel contatore e crea un flusso opposto. All'equilibrio, la corrente primaria per le spire primarie è uguale alla corrente secondaria per le spire secondarie: un TA con una spira primaria e 80 secondarie dà 5 A quando nel cavo scorrono 400 A.
Che cos'è il rapporto di un TA?
Il rapporto tra corrente primaria nominale e corrente secondaria nominale, scritto per esempio 400/5 o 400:5. È anche il moltiplicatore: un contatore che legge 3,2 A al secondario di un TA 400/5 sta misurando 3,2 × 80 = 256 A al primario. Potenza ed energia lette sul lato secondario si moltiplicano per lo stesso fattore.
Perché il secondario di un TA non deve mai restare aperto?
Con il secondario aperto nessuna corrente secondaria si oppone al flusso primario, quindi tutte le amperspire primarie magnetizzano il nucleo. Il nucleo si satura e il secondario sviluppa picchi di tensione che possono arrivare a centinaia o migliaia di volt. È un rischio di folgorazione e di incendio e può danneggiare il TA. Cortocircuita il secondario con una morsettiera di cortocircuito o un blocco di prova prima di scollegare un contatore.
Qual è la differenza tra TA e TV?
Un trasformatore di corrente si collega in serie al carico e riproduce la corrente; il suo secondario lavora quasi in cortocircuito. Un trasformatore di tensione (TV) si collega in parallelo all'alimentazione e riproduce la tensione; il suo secondario lavora su un'impedenza elevata e non deve mai essere cortocircuitato. I contatori in bassa tensione di solito si collegano direttamente alla tensione e richiedono solo TA.
Qual è la differenza tra un TA di misura e uno di protezione?
Un TA di misura, per esempio di classe da 0,2S a 1, è preciso da pochi punti percentuali fino al 120% della corrente nominale e si satura poco oltre per proteggere il contatore. Un TA di protezione, per esempio di classe 5P10 o 10P20, mantiene l'errore composto entro il 5% o il 10% fino a 10 o 20 volte la corrente nominale, perché un relè veda la vera corrente di guasto. Raramente lo stesso TA fa bene entrambe le cose.