Un sistema di alimentazione funziona come una grande orchestra sinfonica, con vari componenti che lavorano in armonia per erogare energia. Tuttavia, proprio come un'orchestra può incontrare note discordanti, i sistemi elettrici affrontano guasti dirompenti. Quando si verificano cortocircuiti o guasti a terra all'interno delle reti elettriche, simili a rumori stridenti che interrompono un'esecuzione musicale, possono interrompere le operazioni, danneggiare le apparecchiature e creare rischi per la sicurezza. Per rilevare ed eliminare tempestivamente questi disturbi, sono stati sviluppati sistemi di protezione differenziale, con trasformatori di corrente a fase divisa che fungono da componenti critici.

I trasformatori di corrente a fase divisa sono strumenti specializzati utilizzati principalmente nella protezione differenziale dei sistemi di alimentazione. A differenza dei trasformatori di corrente convenzionali, sono dotati di due avvolgimenti o bobine indipendenti, ciascuna delle quali riceve segnali di corrente da una fase del sistema di alimentazione. Confrontando le correnti provenienti da questi avvolgimenti, il sistema può rilevare anomalie tra cui guasti a terra, cortocircuiti fase-fase o degrado delle prestazioni. In caso di rilevamento di anomalie, il sistema di protezione si attiva immediatamente per isolare il circuito difettoso, salvaguardando sia le apparecchiature che il personale.

Il trasformatore di corrente a fase divisa funziona in base alla legge di Kirchhoff sulle correnti. In condizioni normali, le correnti che scorrono attraverso entrambi gli avvolgimenti rimangono uguali in grandezza ma opposte in direzione, con conseguente corrente differenziale pari a zero. Quando si verificano guasti interni, come guasti a terra, l'equilibrio di corrente tra gli avvolgimenti si interrompe, generando una corrente differenziale misurabile. Il sistema di protezione analizza l'entità e la direzione di questa corrente per determinare il tipo e la posizione del guasto, quindi emette comandi di intervento per scollegare il circuito interessato.

Nello specifico, questi trasformatori lavorano in combinazione con relè differenziali che si attivano quando la corrente differenziale supera le soglie predefinite, attivando gli interruttori automatici. Per migliorare la sensibilità e l'affidabilità, vengono spesso impiegate misure aggiuntive come i relè differenziali a percentuale, tenendo conto degli errori di rapporto del trasformatore e delle correnti di inrush.

I trasformatori di corrente a fase divisa sono disponibili in due configurazioni principali:

• Tipo a finestra: Caratterizzati da un design circolare o rettangolare con un'apertura centrale, questi consentono ai cavi di alimentazione o alle sbarre di attraversare direttamente. La loro struttura compatta e semplice facilita l'installazione e la manutenzione su vari livelli di tensione e capacità di corrente.
• Tipo a barra: Incorporando una barra conduttrice come avvolgimento primario, questo design aumenta la corrente nominale del trasformatore e la capacità di tenuta a breve termine, rendendolo adatto per applicazioni ad alta corrente.

Questi trasformatori svolgono ruoli critici in tutte le reti di alimentazione, tra cui:

• Protezione del generatore: Protezione contro i guasti degli avvolgimenti, inclusi cortocircuiti fase-fase, guasti spira-spira e guasti a terra
• Protezione del trasformatore: Rilevamento di guasti degli avvolgimenti e guasti del serbatoio
• Protezione delle sbarre: Identificazione di cortocircuiti e guasti a terra sulle sbarre di alimentazione
• Protezione del motore: Prevenzione di danni da guasti interni degli avvolgimenti

La progettazione, la produzione e il collaudo dei trasformatori di corrente a fase divisa devono essere conformi agli standard internazionali e nazionali per garantire prestazioni e sicurezza. Gli standard chiave includono:

• CSA (Canadian Standards Association)
• IEC (International Electrotechnical Commission)
• NEMA (National Electrical Manufacturers Association)
• IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

Queste specifiche regolano parametri critici tra cui tensione/corrente nominale, classe di precisione, corrente di tenuta a breve termine, rigidità dielettrica e aumento della temperatura, insieme alle corrispondenti metodologie di collaudo.

La scelta di trasformatori di corrente a fase divisa appropriati richiede la considerazione di molteplici fattori:

• Tensioni e correnti nominali del sistema
• Classe di precisione richiesta per gli schemi di protezione
• Capacità di tenuta ai cortocircuiti corrispondente ai requisiti del sistema
• Vincoli di installazione e configurazione fisica
• Esigenze ambientali speciali (alta temperatura, umidità, atmosfere esplosive)

Molti produttori utilizzano la tecnologia di incapsulamento in resina epossidica per questi trasformatori, offrendo:

• Proprietà isolanti superiori che prevengono la rottura ad alta tensione
• Maggiore resistenza meccanica che protegge i componenti interni
• Efficace resistenza all'umidità e alla polvere che migliora l'affidabilità
• Capacità ignifughe in formulazioni selezionate

Le infrastrutture di alimentazione obsolete richiedono spesso aggiornamenti dei trasformatori a causa del degrado delle prestazioni o dell'evoluzione delle esigenze di protezione. Le considerazioni chiave includono:

• Compatibilità con i sistemi di protezione esistenti per quanto riguarda il rapporto, la precisione e il cablaggio
• Affidabilità e stabilità operativa
• Convenienza economica nel rispetto dei requisiti tecnici

Con l'evoluzione delle smart grid e delle sottostazioni digitali, i trasformatori di corrente a fase divisa affrontano nuove opportunità e sfide. Le tendenze emergenti includono:

• Conversione del segnale digitale per l'elaborazione dei dati migliorata
• Funzionalità intelligenti come l'autodiagnosi e la calibrazione adattiva
• Design compatti che utilizzano materiali avanzati
• Soluzioni di protezione integrate che combinano più funzioni

Come componenti fondamentali dei sistemi di protezione differenziale, i trasformatori di corrente a fase divisa svolgono ruoli indispensabili nel mantenimento della stabilità e della sicurezza della rete. I progressi tecnologici continueranno a guidare la loro evoluzione verso soluzioni digitali, intelligenti, compatte e integrate, garantendo un funzionamento affidabile del sistema di alimentazione per gli anni a venire.