Cos'è un trasformatore di corrente e come funziona?

Un trasformatore di corrente è un dispositivo che assorbe una corrente elettrica elevata e potenzialmente pericolosa che scorre attraverso una linea elettrica e produce una corrente proporzionale più piccola, in genere 1 o 5 ampere, sicura e compatibile con strumenti di misurazione, relè di protezione e apparecchiature di monitoraggio. Funziona secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, utilizzando un nucleo magnetico e un avvolgimento secondario per trasferire informazioni sulla corrente senza alcun collegamento elettrico diretto tra il circuito primario e gli strumenti di misura.

Quando il circuito secondario di un trasformatore di corrente sotto tensione è aperto, non c'è corrente secondaria che possa creare una forza magnetomotrice opposta. Il flusso del nucleo sale a livelli di saturazione ad ogni mezzo ciclo, generando picchi di tensione molto elevati sui terminali secondari, che talvolta superano diverse migliaia di volt. Ciò comporta un grave rischio di scosse elettriche per il personale, danni all'isolamento secondario e degrado permanente del materiale del nucleo a causa del sovraccarico magnetico. Cortocircuitare sempre il secondario o mantenere un carico collegato quando il TA è energizzato.

Un TA di misurazione è progettato per un'elevata precisione alle correnti operative normali, in genere tra l'1% e il 120% della corrente nominale, ed è costruito per saturarsi rapidamente quando si verificano correnti di guasto, proteggendo i contatori collegati da eventuali danni. Un TA di protezione è progettato per rimanere lineare e preciso anche a multipli molto elevati della corrente nominale (ad esempio, da 10 a 20 volte la corrente nominale) in modo che i relè di protezione possano rilevare e rispondere correttamente ai guasti. I due tipi svolgono ruoli complementari e generalmente non sono intercambiabili nelle applicazioni critiche.

Un rapporto di 400/5 significa che quando 400 ampere fluiscono attraverso il circuito primario, l'avvolgimento secondario produrrà 5 ampere. Il rapporto è 80:1. Questa uscita da 5 A è compatibile con relè di protezione standard e contatori di energia progettati per un ingresso da 5 A. Se la corrente primaria è di 200 ampere, la corrente secondaria sarà di 2,5 ampere. Il rapporto di targa definisce la relazione proporzionale nell'intero intervallo di misurazione, soggetto ai limiti della classe di precisione.

I trasformatori di corrente standard funzionano secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, che richiede una corrente alternata (mutevole) per indurre la tensione nel secondario. Non possono misurare la corrente continua (CC) perché la corrente continua non crea un flusso magnetico variabile. Per la misurazione della corrente continua vengono invece utilizzate tecnologie alternative come trasduttori di corrente ad effetto Hall, sensori fluxgate o bobine di Rogowski con elettronica integrata. Esistono TA specializzati immuni alla CC o a flusso zero per applicazioni che coinvolgono polarizzazione CC, ma si tratta di categorie di prodotti distinte dai trasformatori di corrente CA standard.

La scelta tra i valori secondari da 1 A e 5 A dipende principalmente dalla lunghezza del cavo secondario tra il TA e gli strumenti collegati. Un secondario da 5 A trasporta cinque volte più corrente di un secondario da 1 A, il che significa che la potenza dissipata nella resistenza del cavo è 25 volte maggiore (poiché la potenza è uguale alla corrente al quadrato della resistenza). Per cavi lunghi, in genere superiori a 30-40 metri, è preferibile un secondario da 1 A per mantenere basso il carico e elevata la precisione. Per brevi tragitti in quadri compatti, i secondari da 5 A sono standard e riducono il numero di spire richieste nell'avvolgimento secondario, semplificando la produzione.

La tensione di ginocchio è un parametro critico per i trasformatori di corrente con classe di protezione, in particolare quelli utilizzati negli schemi di protezione differenziale e ristretta dai guasti a terra. È definita come la tensione secondaria sinusoidale alla quale un aumento del 10% di tale tensione produce un aumento del 50% della corrente di eccitazione. In termini pratici rappresenta il confine tra la zona operativa lineare e l'inizio della saturazione magnetica. I TA di protezione devono avere una tensione di ginocchio sufficientemente elevata da pilotare la corrente del relè richiesta attraverso l'impedenza del circuito secondario durante le peggiori condizioni di guasto, garantendo che il relè funzioni in modo affidabile prima che il nucleo si saturi.