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TA & TV di misura

taetv-abb

Scopo e funzioni

I  trasformatori di misura e di protezione riproducono, per via elettromagnetica,  una corrente od una tensione alternate, secondo un determinato fattore di scala e con un trascurabile errore di fase. Si impiegano quando le correnti in gioco superano qualche decina di ampere e le tensioni qualche centinaio di volt. L'obiettivo è ridurre i problemi di smaltimento di calore ed i forti campi magnetici che possono disturbare gli strumenti, ed isolare gli strumenti dal resto dell'impianto, garantendo l'incolumità di chi ne viene in contatto. All'avvolgimento primario è applicata la grandezza da misurare. Al secondario gli strumenti di misura o le apparecchiature di protezione.

Diciamo subito che i trasformatori di misura hanno esigenze diverse dai trasformatori di protezione. Essi   devono garantire una corretta misura della grandezza controllata (TA, la corrente; TV, la tensione) per un intervallo di valori che supera di poco il valore nominale. Inoltre devono anche impedire che gli strumenti alimentati possano essere danneggiati da valori eccessivi di corrente e di tensione. Ad esempio un TA fornisce un valore al secondario direttamente proporzionale alla corrente primaria nel campo di correnti che va dal 10% al 120% della corrente nominale. Per valori superiori satura rapidamente. In tal modo eventuali correnti primarie dovute ad un cortocircuito, non danneggiano gli strumenti collegati al secondario. I TV ed i TA di protezione devono invece fornire una indicazione corretta della grandezza controllata anche per valori di questa molto più elevati di quello nominale. E' proprio per sovratensioni e sovracorrenti che devono garantire un'accettabile precisione affinché l'intervento delle protezioni sia corretto. Se si alimentasse  un relè di protezione con un TA di misura, la corrente secondaria in occasione di un cortocircuito, per effetto della saturazione del nucleo, fornirebbe un valore molto inferiore a quello che si ricaverebbe dalla diretta proporzionalità e la protezione di massima corrente non interverrebbe. Ci sono in commercio trasformatori che svolgono entrambe le funzioni, di misura e di protezione: essi hanno però nuclei ed avvolgimenti separati.

Da ricordare che, come impone l'art. 5.2.4 della CEI 11-1, se non esiste uno schermo da collegare a terra che separa primario e secondario, il secondario di TA e TV deve essere collegato a terra con un conduttore di sezione 4 mm2 (2,5 mm2 se meccanicamente protetto). La messa a terra si rende necessaria per evitare che gli strumenti alimentati dal secondario assumano un potenziale rispetto a terra per accoppiamento capacitivo, dovuto alla ripartizione della tensione totale verso terra dell'impianto tra la capacità esistente tra gli avvolgimenti e la capacità verso terra. Le norme di riferimento sono le seguenti

Per i TA

  • CEI EN 60044-1 - Class. CEI 38-1 - Fascicolo 5706 - Anno 2000
  • CEI EN 60044-1/A1 - Class. CEI 38-1;V1 - Fascicolo 6089 - Anno 2001
  • CEI EN 60044-1/A2 - Class. CEI 38-1;V2 - CT 38 - Fascicolo 6978 - Anno 2003
  • CEI EN 60044-6 - Class. CEI 38-6 - CT 38 - Fascicolo 5660 E - Anno 2000 - Prescrizioni per i trasformatori di corrente per protezione in regime transitorio

Per i TV

  • CEI EN 60044-2 - Class. CEI 38-2 - Fascicolo 6090 - Anno 2001
  • CEI EN 60044-2/A2 - Class. CEI 38-2;V1 - Fascicolo 6979 - Anno 2003

Per i Trasformatori combinati

  • CEI EN 60044-3 - Class. CEI 38-4 -
  • CT 38 - Fascicolo 7055 - Anno 2003

Per i TV elettronici

CEI EN 60044-7 - Class. CEI 38-7 - CT 38 - Fascicolo 6277 - Anno 2001

Richiami sulla teoria del trasformatore

Se i trasformatori fossero ideali sarebbe superfluo distinguere tra TA e TV. Il trasformatore ideale si comporta in maniera perfetta sia rispetto alle correnti che alle tensioni, indipendentemente dai valori che esse possono assumere, quindi dai carichi alimentati.

Il trasformatore ideale è illustrato in figura. Esso è caratterizzato da un rapporto di trasformazione nominale KN tra la tensione nominale primaria U1n e la tensione nominale secondaria U2n, che coincide con il rapporto spire dei due avvolgimenti, che definisce in modo univoco il legame tra correnti e tensioni primarie e secondarie.

KN = U1n / U2n= N1 / N2

U1= KN* U2

I1= I2 / KN

La realtà però è diversa ed il trasformatore deve essere in schematizzato come nelle figure seguenti

Si passa dal primo al secondo schema eliminando il trasformatore ideale, che nel primo evidenzia la separazione galvanica tra primario e secondario, tenendo conto delle relazioni che esso impone alle grandezze elettriche. Nel riporto al primario la corrente secondaria è divisa per il rapporto di trasformazione; le tensioni secondarie ne sono moltiplicate; le impedenze moltiplicate per il quadrato del rapporto. Le impedenze rappresentano: le resistenze degli avvolgimenti, R1, R2; le loro reattanze di dispersione, X1 ed X2;  la reattanza di magnetizzazione, X0, responsabile del flusso nel nucleo; la resistenza di simulazione delle perdite nel ferro R0.  Z2 è l'impedenza del carico che, possiamo anticiparlo, nel caso dei trasformatori di misura, è chiamato prestazione.

Nel trasformatore reale, come mostra il diagramma vettoriale, le tensioni e le correnti primarie e secondarie non sono esattamente legate al rapporto di trasformazione. Le relazioni del trasformatore ideale sono approssimazioni di quelle reali. Le differenze tra le indicazioni che fornirebbe un trasformatore ideale e quelle effettive del trasformatore reale sono dette errori. Sia per le correnti che per le tensioni, esistono errori di modulo e di fase. Cioè se KN è il rapporto nominale, applicando le relazioni del trasformatore ideale in una qualsiasi condizione di carico, ai moduli di tensione e corrente, si commettono, rispettivamente, gli errori DU e DI. Non solo: tensioni e correnti primarie non sono esattamente in fase con le rispettive grandezze secondarie.Sono, rispettivamente, gli errori di rapporto e di fase. Esistono differenze di fase indicate con   ev ed eI. Il grafico vettoriale della figura che segue illustra il significato delle grandezze descritte. Gli errori di fase sono convenzionalmente considerati positivi se la grandezza secondaria nel diagramma è in anticipo su quella primaria. Nel caso della figura eI è positivo, ev è negativo.

La realizzazione dei trasformatori di misura e protezione è effettuata in modo  da ridurre al minimo gli errori che interessano: quelli relativi alla tensione per i TV, alle correnti per i TA. E' stabilito anche il campo di valori entro cui gli errori non superano quelli massimi dichiarati, che definisce la classe di precisione dei trasformatori.  

L'errore di rapporto h% è definito in modo formalmente identico sia per i TA che per i TV.

TV

Per i TV interessa che sia precisa la tensione. La condizione in cui è minimo l'errore tra le tensioni U1 e KN*U2 si ha quando il trasformatore lavora a vuoto: I2=0, come si può vedere nel diagramma, essendo molto piccola la corrente a vuoto I0=I1.

Collegando strumenti al secondario il TV si discosta dalla condizione a vuoto.

Sia l'errore di tensione che di angolo dipendono dunque dalla corrente a vuoto che introduce una caduta sempre presente,  e dal carico alimentato dal secondario che introduce cadute variabili. Entrambe le cadute dipendono, oltre che dalle correnti, dal valore dell'impedenza longitudinale degli avvolgimenti (R1+jX1, R2+jX2). Quindi è necessario che questa sia il più piccola possibile. Anche la corrente a vuoto deve essere bassa, cioè l'impedenza a vuoto il più alta possibile. A parità di induzione di lavoro massima BM , quindi di campo magnetico HM , e a parità di lunghezza, l, del circuito magnetico la corrente a vuoto Imè tanto più bassa quanto maggiore è il numero di spire N (HM*l=1,41*N*Im)

Non è superfluo osservare che il rapporto nominale KN non coincide necessariamente con il rapporto spire. Anzi generalmente si ha N1 / N2 < KN in quanto in questo modo si introduce un errore opposto a quello di rapporto, quindi una compensazione dello stesso.

E' importante ricordare che il TV lavorando praticamente a vuoto daà luogo ad elevate correnti in caso di cortocircuito ai morsetti secondari per cui deve essere protetto, ad esempio con fusibili.

TA

Per i TA interessa che sia precisa la corrente. La condizione in cui è minimo l'errore tra le correnti I1 e KN* I2 (qui occorre ricordare che per i TA il rapporto di trasformazione è dato dal rapporto tra corrente nominale primaria e nominale secondaria, l'inverso di quello per le tensioni) si ha quando il trasformatore lavora in cortocircuito: U2 = 0, come si può vedere nel diagramma, essendo molto piccola la corrente I0 rispetto alla corrente I1.

Anche per i TA, e per le stesse ragioni dei TV, il rapporto nominale KN non coincide necessariamente con il rapporto spire. Generalmente si ha N2 / N1 < KN per una compensazione dell'errore di rapporto. Stabilire l'entità degli errori è un problema costruttivo. Gli errori di rapporto e di fase definiscono la classe dei trasformatori. I limiti fissati dalle norme IEC sono riassunti nella successiva tabella. In essa sono anche riportate le caratteristiche dei trasformatori di protezione che, come si è già detto, devono rispondere ad esigenze diverse dai trasformatori di misura.

Come detto la prestazione è il carico che può essere applicato ai secondari senza che siano superati gli errori di rapporto e di fase. Per i TA si hanno in genere Sr=( 2,5; 5; 10; 15; 30) VA. Per i TV: Sr=(10; 25; 50) VA. Per i TA gli errori sono dati anche in funzione della effettiva corrente primaria rapportata al valore nominale Ir. I valori delle correnti nominali dei TA sono Ir=(10; 20; 100; 500; 1.000; 5.000;10.000) A. I valori normalizzati al secondario sono (5; 2; 1) A. Il rapporto di trasformazione è il rapporto tra la primaria nominale e la secondaria nominale.

Poiché i TA lavorano in pratica in condizioni di cortocircuito occorre assolutamente evitare che i morsetti secondari rimangano aperti; a primario alimentato la tensione secondaria raggiunge valori elevati, che, oltre a danneggiare l'isolamento del secondario, possono costituire un notevole pericolo per gli operatori. Devono pertanto essere protetti da dispositivi che, in caso di sovratensione, chiudano i morsetti secondari in cortocircuito.

Il primario dei trasformatori di corrente può essere costituito dallo stesso conduttore di lineao da una sbarra passante entro il nucleo magnetico di tipo toroidale. In alcuni modelli, come questo, si può avvolgere il conduttore primario intorno al nucleo toroidale, una o due volte variando in tal modo il rapporto di trasformazione.

TA di MISURA

 

(I/Ir)*100; S=(25..100)%Sr, cosfì=o,8R

5%

20%

100%

120%

5%

20%

100%

120%

Classe

h%

eI(centiradianti)

0,1

0,4

0,2

0,1

0,1

0,45

0,24

0,15

0,15

0,2

0,75

0,35

0,2

0,2

0,9

0,45

0,3

0,3

0,5

1,5

0,75

0,5

0,5

2,7

1,35

0,9

0,9

1,0

3,0

1,5

1,0

1,0

5,4

2,7

1,8

1,8

 

0,2S

0,75

0,35

0,2

0,2

0,9

0,45

0,3

0,3

0,5S

1,5

0,75

0,5

0,5

2,7

1,35

0,9

0,9

TA di Protezione

 

Classe

h%(+/-)

eI(centiradianti) (+/-)

Errore composto %

5P

1

1,8

5

10P

3

 

10

TV di MISURA S=(25..100)%Sr, cosfì=o,8R

Classe

h% (+/-)

eV(centiradianti) (+/-)

0,1

0,1

0,15

0,2

0,2

0,3

0,5

0,5

0,6

1

1

1,2

3

3

Nessuna prescrizione

TV di Protezione

 

h%

eV(centiradianti)

3P

3

3,5

6P

6

7

 

In caso di cortocircuiti in rete i TA devono essere in grado di sopportare correnti elevate per tempi brevi. I parametri che consentono di valutarlo sono la corrente termica di breve durata e la corrente dinamica. La durata convenzionale è di 1 secondo. La corrente dinamica, generalmete è 2,5 volte quella termica e può essere anche 100 volte la corrente nominale.

Per i TV le tensioni nominali primarie sono i valori nominali delle reti U, oppure U/1,73 se devono essere inseriti tra fase e terra. Le tensioni secondarie normalizzate sono: 100; 100 / 1,73; 100 / 3 . Anche i TV devono resistere a condizioni anomale, ad esempio guasto a terra di una fase, secondo un fattore di tensione definito dalla seguente tabella.

Fattore di tensione (Umax/Ur)
Durata
  1. Collegamento primario
  2. condizioni di messa a terra della rete
1,2
continua
  1. Tra le fasi o tra il centro stella del trasformatore e la terra
  2. qualsiasi rete
1,2
continua
  1. Fase-terra
  2. neutro efficacemente a terra
1,5
30 s
 
1,2
continua
  1. Fase-terra
  2. neutro non efficacemente a terra con eliminazione automatica del guasto a terra.
1,9
30 s
 
1,2
continua
  1. Fase-terra
  2. neutroisolato o collegate a terra con bobina di estinzione senza eliminazione automatica
1,9
8 h
 

I dati principali sono, come al solito, riportati su una targa con l'indicazione della norma in base a cui sono stati progettati. I morsetti primari e secondari devono essere contrassegnati. Nella seguente tabella è riportato un esempio di targa di designazione di un TA della ABB con doppio rapporto di trasformazione, predisposto sia sia per la misura che per la protezione.

targaABB

targa-spieg

 

  • Il TA ha dunque due nuclei, uno per gli avvolgimenti di misura ed uno per la protezione.
  • Il fattore di sicurezza FS indica fino quante volte la corrente nominale può superare il valore nominale senza che gli strumenti collegati subiscano danneggiamenti.
  • I terminali secondari per la misura sono, per i due rapporti, nS1-nS2 ed nS1-nS3 con n=1 ed n=2 rispettivamente per indicare il nucleo di misura e quello di protezione.
  • La classe di precisione è 0,5 per la misura e 5P per la protezione.
  • Le prestazioni per le due portate di 5 VA e 10 VA
  • Il livello di isolamento è definito dalle tensioni: masssima d'esercizio=12 kV; tensione di tenuta a frequenza di 50 Hz per 60 secondi: 28 kV; tensione di tenuta ad impulso (1,2/50 ms): 75 kV
  • La corrente termica di breve durata che il l'avvolgimento primario del TA può sopportare per 1 secondo quando il secondario è in cortocircuito è di 50 kA, mentre la corrente dinamica, che è il valore di cresta massimo che può assumere la corrente primaria è di 125 kA

 

Esempio di inserzione per la misura di correnti in un siatema trifase con neutro.

NB: le immagini sono tratte dal catalogo ABB riportato nel link.

w-ex3

Misura di potenza su carico monofase

La figura rappresenta lo schema di inserzione di un wattmetro tramite TA e TV. La corretta inserzione richiede il rispetto dei morsetti contrassegnati del wattmetro con quelli contrassegnati dei trasformatori. In pratica i puntini di TA e TV sono collegati al ± del wattmetro.

Il carico di potenza Pe fattore di potenza cosf è sottoposto alla tensione U1 ed assorbe la corrente I1. Quindi si ha P= U1I1 cosf. Al wattmetro arriva la potenza P2=U2*I2*cosf2    ed il valore misurato è avendo indicato con hW l'errore di classe del wattmetro.

P2 è affetta dall'errore introdotto dai trasformatori di misura che coinvolge sia l'errore di modulo sia quello di fase.

 

Considerando la situazione più sfavorevole il definitivo errore che si aggiunge a quello di classe propri del wattmetro è dato da

L'errore è tanto maggiore quanto più basso è il fattore di potenza del carico. E' per questo considerato un errore limite di potenza.  Ad esempio per un TV di classe 0,2 deve essere

Bibliografia

  • Misure elettriche di Giuseppe Zingales ed Cleup
  • Metodi e Strumenti, Giuseppe Zingales, ed UTET
  • Dispense di Misure Elettriche, A. Bossi, P. Malcovati
  • Dispense di Misure sui sistemi di potenza di Nicola Locci

Link

TA: Catalogo d'esempio

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Commenti e note

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di ,

un altro piccolo dubbio.. nella formula dell'errore di rapporto viene definito come l'errore il modulo moltiplicato cento... ma poi viene descritto come (Kn*U2-U1)/U1. quindi come errore relativo del modulo *100 come credo giusto che sia, non si dovrebbe quindi parlare di DUr? e poi non mi è chiaro a cosa ci si riferisce con Kn=U1r/U2r non si dovrebbe far riferimento al rapporto E1/E2? scusate ma ho bisogno di qualche chiarimento Grazie Alessandro.

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di ,

piccola domanda... La Io (corrente di magnetizzazione)è generalmente ortogonale alla E1 inquanto le perdite nel materiale ferromagnetico (Ro) è piccola rispetto alla reattanza di magnetizzazione (Xo)? Valori tipici per trasformatori di piccola taglia? Grazie Alessandro

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di ,

Qualcuno che li legge? Tutto il dipartimento ha studiato i Ta e Tv su questo articolo. E' la dispensa ufficiale da anni!

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di ,

Lo so, è un errore nel grafico che devo correggere da sempre: quindi nel grafico deve essere scritto KNI12=I2. E, sempre purtroppo, è uno degli articoli vecchi che attualmente non sono in grado di modificare :( . Hai fatto bene a metterlo in evidenza. Fa piacere sapere che c'è anche qualcuno che li legge con attenzione: spero di non confondergli le idee invece che chiarirle! :(

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di ,

Buona sera admin. Un mio collega ed io abbiamo notato che definisce la I12 come il rapporto tra I2 e Kn nel caso del TV (schema), mentre nel grafico lei definisce la I12=Kn*I2.

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di ,

L'articolo giusto al momento giusto! Grazie

Rispondi

di ,

Sempre chiaro ;) ...il link non sembra più valido

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di giacomo.gianco@email.it,

ma TA cosa vuol dire?

Risposta automatica:

Trasfornatore Amperometrico

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di Marco,

Qualcuno e' in grado di dirmi qualcosa su dei nuovi TA detti a "doppio stadio"?? So solamente che hanno degli errori sulla misurazione della corrente molto bassi rispetto a tutti gli altri TA normali.

Nota di redazione: le domande si devono fare nel Forum

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di dario,

Ma il rapporto di traformazione per le correnti non vale sempre Kn=I2/I1?? porchè a volte nelle figure viene riportato all'inverso e perchè viene detto che il rapporto delle correnti è tra primario e secondario e per le tensione vale l'inverso? (non è il conrtrario?)

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di Mister,

secondo le norme iec su i trasformatori di tensione ,è possibile provare a scariche parziali (sovratensione indotta) un tv che ha frequenza nominale 60hz ,applicando una frequenza di prova 60hz oppure è sbagliato bisogna provarlo ad una frequenza di 100 hz come prevede la norma?Grazie per la risposta.Possibilmente mi potrebbe indicare la formula?Grazie

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di Alberto Ferretti,

Nell'ultima figura le polarità P1 e P2 del simbolo grafico del TA non sono congruenti con le polarità s1 e s2. In ogni caso, quando è necessario dover tener conto dell'orientamento delle polarità P1 e P2 dei TA? Grazie per l'attenzione

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di aldodar,

Ho scorso il documento solo superficialmente, e devo dire che mi sembra utile e completo. Ho qualche riminiscenza in merito a ginocchio e punto di lavoro che non mi pare di aver trovato nella trattazione. Cerchero' di rileggere il materiale per farmi un bel ripasso ed un'opinione piu' circostanziata. Lo sforzo e' comunque lodevole in quanto tende ad aumentare la cultura generale ed incoraggiare la discussione al fine di un miglioramento, per cui il mio giudizio sara' comunque positivo.

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