Trasformatori di tensione nella distribuzione dell'energia elettrica: tipi, funzioni e applicazioni

Che cos’è un trasformatore di tensione?

A trasformatore di tensione (VT) è un tipo di trasformatore di misura utilizzato per ridurre le tensioni di rete elevate a tensioni standard più basse, che possono essere gestite in sicurezza da strumenti di misura, relè e altri dispositivi di controllo. In questo modo, i VT consentono alle apparecchiature sensibili di monitorare o misurare i parametri elettrici senza essere esposte a tensioni pericolosamente elevate.

Trasformatori di tensione vs. trasformatori di corrente

Entrambi sono fondamentali per la protezione e la misurazione del sistema, ma hanno finalità diverse: Trasformatore di tensione (VT)

• Funzione: Scende dall'alto tensione (ad esempio, da 11 kV a 110 V) a scopo di protezione e per garantire la sicurezza delle misurazioni.
• Cablaggio: Installato in parallelo con la linea elettrica.
• Risultato: Segnale a bassa tensione proporzionale alla tensione primaria.
• Applicazioni comuni: Misurazione della tensione, sincronizzazione dei generatori, rilevamento di condizioni di sovratensione o sottotensione, monitoraggio della qualità dell'energia.

Trasformatore di corrente (CT)

• Funzione: Scende dall'alto attuale (ad esempio, da 500 A a 5 A) per garantire la sicurezza delle misurazioni e la protezione.
• Connessione: Installato in serie con la linea elettrica.
• Risultato: Segnale a bassa corrente proporzionale alla corrente primaria.
• Applicazioni tipiche: Misura della corrente, protezione da sovracorrente e da cortocircuito, monitoraggio del carico, rilevamento dei guasti.

I VT regolano il ridimensionamento della tensione e risolvono i problemi relativi alla protezione dalla tensione, mentre i CT regolano il ridimensionamento della corrente e risolvono i problemi relativi alla protezione dalla corrente. Entrambi consentono ai sistemi di controllo e di misura di funzionare correttamente senza essere esposti direttamente a condizioni di sistema pericolose.

Come funzionano i trasformatori di tensione nella distribuzione dell'energia elettrica

I trasformatori di tensione funzionano secondo il principio fondamentale dell'induzione elettromagnetica.

1. Avvolgimento primario— Alimentato dal lato ad alta tensione della rete elettrica.
2. Avvolgimento secondario— Fornisce una tensione ridotta in proporzione alla tensione primaria.
3. Nucleo magnetico— Crea un percorso per il flusso magnetico, consentendo un’induzione efficiente.

Quando la tensione alternata viene applicata all’avvolgimento primario, induce un campo magnetico nel nucleo. Il campo magnetico induce una tensione proporzionale nell’avvolgimento secondario. Il fattore di riduzione della tensione è espresso dal rapporto tra gli avvolgimenti primario e secondario. I trasformatori di tensione (VT), quando utilizzati nei sistemi di distribuzione, vengono collegati in parallelo e inviano la loro uscita a bassa tensione agli strumenti di misura o ai relè di protezione. Ciò consente un monitoraggio sicuro e in tempo reale e permette un rapido rilevamento dei guasti.

Tipi di trasformatori di tensione

I trasformatori di tensione vengono classificati in vari modi in base alla loro struttura, all'intervallo di tensione entro il quale possono funzionare e alla funzione per cui sono destinati. Comprendere queste tipologie di trasformatori aiuta a scegliere il trasformatore più adatto alle vostre specifiche esigenze di distribuzione dell'energia elettrica.

Per struttura

a) Trasformatori di tensione elettromagnetici (EVT)

• Avvolgimenti primari e secondari su un nucleo in acciaio laminato.
• Elevata precisione, design collaudato, isolamento robusto.
• Ampiamente utilizzato nei sistemi di distribuzione a media tensione.
• Varianti: EVT monofase per piccoli impianti; EVT trifase per misurazioni trifase compatte.

b) Trasformatori di tensione capacitivi (CVT)

• Combina un divisore a condensatori con un'unità elettromagnetica.
• Conveniente alle alte tensioni; accoppia anche i segnali di comunicazione dei vettori.
• Diffuso nei sistemi ad alta tensione e ad altissima tensione (EHV).

c) Trasformatori ottici di tensione (OVT)

• Utilizzare sensori ottici e fibre ottiche per misurare i campi elettrici.
• Leggero, con elevato isolamento, immune alle interferenze elettromagnetiche.
• Particolarmente indicato per le reti intelligenti e le sottostazioni digitali.

In base alla tensione di funzionamento

• Bassa tensione (<1 kV): Automazione degli edifici, monitoraggio dei macchinari.
• Media tensione (1–72,5 kV): Sottostazioni di distribuzione, impianti industriali.
• Alta tensione (72,5–245 kV): Trasmissione regionale, grandi industrie.
• Altissima tensione (>245 kV): Trasmissione a lunga distanza, interconnessione di rete.

Per funzione

• VT di misura: Elevata precisione nella fatturazione e negli audit energetici.
• VT di protezione: Affidabile anche in caso di guasto.
• Unità combinate: Esegue sia la misurazione che la protezione.

Tabella riassuntiva – Classificazione dei trasformatori di tensione

Funzioni chiave nella distribuzione dell'energia elettrica

I trasformatori di tensione svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica sotto diversi aspetti:

• Scala di tensione di misurazione: Trasformano le tensioni elevate in valori standard, che possono essere misurati in tutta sicurezza dagli strumenti.
• Isolamento elettrico: Isolano i circuiti di misura dal lato ad alta tensione, proteggendo così gli operatori e le apparecchiature.
• Fornitura di segnali per i sistemi di protezione: Forniscono ai relè di protezione dati precisi sulla tensione per rilevare guasti quali sovratensione, sottotensione o squilibrio di fase.
• Monitoraggio del sistema: I dati relativi alla tensione in tempo reale contribuiscono a mantenere la stabilità e l'efficienza della rete elettrica.

Errori comuni nei trasformatori di tensione e come ridurli al minimo

Sebbene i trasformatori di tensione (VT) siano progettati per garantire la massima precisione, sono comunque soggetti a errori di misura. Queste imprecisioni possono influire sia sull’accuratezza della misurazione che sulle prestazioni dei relè di protezione. Comprendere i diversi tipi di errore aiuta i tecnici a scegliere il trasformatore più adatto e a mantenerne l’accuratezza nel tempo.

• Errore di rapporto: Scostamento di proporzionalità dovuto alla perdita nel nucleo, alla resistenza dell'avvolgimento o alla mancata corrispondenza del carico.
• Errore di angolo di fase: Una leggera variazione temporale che influisce sul fattore di potenza e sulla precisione del relè.
• Errore di saturazione: Saturazione del nucleo in presenza di tensioni elevate o transitorie.
• Errori legati alla temperatura: Deriva stagionale dell'accuratezza.
• Deriva a lungo termine: La precisione varia nel corso degli anni a causa dell'invecchiamento dell'isolamento e del nucleo.

Gli errori dei trasformatori di tensione dipendono sia dalle condizioni operative che da quelle di progettazione. Scegliendo una classe di precisione adeguata, un controllo del carico corretto e seguendo le buone pratiche, è possibile ridurre al minimo tali errori per garantire misurazioni e protezioni sicure all'interno della rete elettrica.

Applicazioni dei trasformatori di tensione

I trasformatori di tensione trovano impiego in una vasta gamma di contesti:

• Sottostazioni di servizio: Misura della tensione per sistemi di controllo e protezione.
• Strutture industriali: Monitoraggio di motori di grandi dimensioni, trasformatori e quadri elettrici.
• Impianti di energia rinnovabile: Integrare parchi solari o turbine eoliche nella rete elettrica, garantendo al contempo livelli di tensione sicuri per le apparecchiature di monitoraggio.

• Edifici commerciali: Gestione della distribuzione del carico e della qualità dell'energia elettrica negli edifici di grande altezza.

Ogni applicazione presenta requisiti specifici in termini di precisione e sicurezza, il che rende fondamentale una scelta accurata. Esempio: I VT forniscono dati precisi sulla tensione per garantire che gli inverter siano correttamente sincronizzati con la rete e per prevenire potenziali instabilità all’interno di un parco solare.

Criteri di selezione dei trasformatori di tensione

La scelta di un trasformatore di tensione adeguato richiede il confronto di alcuni parametri:

• Tensione nominale primaria e secondaria: Deve essere conforme alle specifiche di sistema.
• Classe di precisione: Determina l'errore di misura ammissibile (elevato per la misurazione a fini di fatturazione, inferiore per la protezione).
• Capacità di carico: Carico massimo secondario senza superare i limiti di errore.
• Tipo di isolamento: Realizzato in fusione di aria, olio o resina, a seconda dell'ambiente e dell'installazione.
• Tutela dell'ambiente: Classificazione IP relativa alla resistenza alla polvere e all'umidità.
• Conformità alle norme: IEC o equivalente a livello locale.

L'adozione di un modello collaudato nel proprio progetto, in diverse sedi o classi di tensione, può semplificare la manutenzione e la gestione dei ricambi.

Manutenzione e sicurezza

Una corretta manutenzione prolunga la durata di un trasformatore di tensione e ne garantisce il funzionamento in sicurezza. Pratiche di routine: Esame visivo: Verificare la presenza di crepe, corrosione o collegamenti allentati. Pulizia: Spolverare e rimuovere lo sporco che potrebbe causare la formazione di tracce o un surriscaldamento eccessivo. Prove di isolamento: I test dielettrici periodici verificano l'integrità dell'isolamento. Verifiche del carico: Verificare che il carico secondario rimanga entro i limiti di progetto. Disattivazione dell'alimentazione prima dell'intervento di manutenzione: Prima di eseguire qualsiasi intervento di manutenzione, assicurarsi sempre di isolare e mettere a terra l'impianto. Per le installazioni all'aperto, utilizzare involucri resistenti alle intemperie o rivestimenti aggiuntivi in caso di condizioni ambientali estreme.

Conclusione

I trasformatori di tensione sono fondamentali per una distribuzione dell’energia sicura, accurata e affidabile. Dal ridimensionamento delle tensioni per la misurazione all’alimentazione dei relè di protezione, consentono un controllo preciso della domanda delle reti moderne. Comprendere le loro tipologie, le funzioni e i criteri di selezione aiuta a garantire la scelta dell’apparecchiatura più adatta alle vostre esigenze. Per qualsiasi progetto — che si tratti della costruzione di una nuova sottostazione o dell’ammodernamento di impianti elettrici industriali — la scelta di un trasformatore di tensione di alta qualità, adeguato alle vostre esigenze, garantisce affidabilità e sicurezza a lungo termine. OOHMAGE è un marchio affidabile nel settore dei componenti elettrici, noto per la produzione di sezionatori di alta qualità, interruttori differenziali (RCBO), dispositivi di protezione contro le sovratensioni, e altro ancora. Grazie alla grande attenzione riservata alla sicurezza, alla durata e alle prestazioni, i prodotti OOHMAGE sono ampiamente utilizzati in ambito residenziale, commerciale e industriale.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra un trasformatore di tensione e un trasformatore di corrente?

Un trasformatore di tensione (VT) riduce la tensione elevata a un livello inferiore e standardizzato, adatto ai contatori e ai relè di protezione, ed è collegato in parallelo al circuito. Un trasformatore di corrente (CT), invece, riduce la corrente elevata a un livello di sicurezza ed è collegato in serie con il circuito. Entrambi garantiscono l’isolamento, proteggono i dispositivi di misura e consentono un monitoraggio accurato, ma misurano grandezze elettriche diverse.

Come faccio a sapere se il mio trasformatore di tensione è difettoso?

Tra i segnali di allarme più comuni figurano:

• Letture dei contatori imprecise nonostante la taratura degli strumenti di misura.
• Surriscaldamento o ronzio insolito.
• Danni visibili all'involucro o all'isolamento.
• Perdite d'olio nei trasformatori di tensione (VT) a bagno d'olio.
• Funzionamento anomalo del relè in caso di guasto.

Se si riscontra una di queste anomalie, mettere il VT fuori servizio ed eseguire test diagnostici quali il test del rapporto di trasformazione, il test della resistenza di isolamento o il test del fattore di potenza.

Qual è la differenza tra un VT di misura e un VT di protezione?

• Misurazione della VT: Ottimizzato per garantire un'elevata precisione in condizioni operative normali; utilizzato per la misurazione e il monitoraggio.
• Protezione VT: Progettati per garantire prestazioni costanti in caso di guasti, anche se durante il normale funzionamento la precisione può subire un leggero calo. Spesso realizzati per resistere a sovratensioni più elevate e a sollecitazioni transitorie.

Alcuni VT moderni sono unità combinate in grado di svolgere entrambe le funzioni, consentendo un risparmio di spazio e di costi.