Trasformatore di Potenziale (PT): Funzionamento, Schema Elettrico e Guida alle Applicazioni

Un Trasformatore di Potenziale (PT), noto anche come Trasformatore di Tensione (VT), è un trasformatore di misura che abbassa l'alta tensione di sistema a un valore standard basso (solitamente 120 V o 69,3 V) per misurazione, protezione e controllo. È gli "occhi" del sistema di protezione.

Principio di Funzionamento: Induzione Elettromagnetica

Analogo a un trasformatore di potenza, ma ottimizzato per precisione e basso carico, non per il trasferimento di potenza.

• Avvolgimento Primario (Alta Tensione): Collegato fase-terra (di solito) o fase-fase. Molti spire, filo sottile.
• Nucleo Magnetico: Acciaio al silicio orientato ad alta permeabilità e bassa perdita (o nichel-ferro per misura fiscale). Bassa densità di flusso (0,5-1,0 T) per minimizzare la corrente di eccitazione e l'errore.
• Avvolgimento Secondario (Bassa Tensione): Poche spire, filo più spesso. Uscita: 120 V (L-N) o 69,3 V (L-N per 120 V L-L) standard.
• Rapporto di Spira (n): n = N_p/N_s = V_p/V_s. Esempio: 7200 V:120 V = 60:1.

Circuito Equivalente e Diagramma Fasoriale

 Primario (HV) Nucleo Secondario (LV) Vp → ───[ Rp + jXp ]───┬───[ Rc || jXm ]───┬───[ Rs + jXs ]───→ Vs (Carico) │ │ GND GND (Un terminale a terra!) 

• R_p, X_p: Resistenza e reattanza di dispersione primarie.
• R_c, X_m: Perdite nel nucleo e ramo di magnetizzazione (causano errore di rapporto e di fase).
• R_s, X_s: Resistenza e reattanza di dispersione secondarie.
• Carico (Z_b): Impedanza del relè o contatore collegato (VA e fattore di potenza).

Classe di Precisione (IEEE C57.13 / IEC 61869)

Classi "S" mantengono la precisione fino a carichi più elevati (es. 12,5 VA vs 2,5 VA per la classe 0.3).

Configurazioni di Collegamento

• Stella con Neutro a Terra (la più comune): Primario Fase-Neutro. Secondario 120 V L-N. Neutro a terra. Misura V_LN.
• Delta Aperto (V-V): 2 PT su impianto trifase 3 fili. Misura V_LL. Secondario 120 V L-L. Risparmia un PT.
• Delta Interrotto (Terziario): 3° avvolgimento (delta aperto) collegato al relè di guasto a terra (59N). Rileva tensione di sequenza zero (3V₀).

Regole di Sicurezza Fondamentali

1. IL SECONDARIO NON DEVE MAI ESSERE A CIRCUITO APERTO: Il secondario del PT è una sorgente di tensione. Circuito aperto → tensione pericolosa elevata (accoppiamento capacitivo + rapporto di spira). Obbligatorio blocco di cortocircuito / interruttore di prova per la rimozione.
2. UN TERMINALE SECONDARIO A TERRA: Obbligatorio (NEC 250.182). Previene l'accoppiamento capacitivo dal secondario flottante a potenziale pericoloso. Di solito X2 (neutro) a terra.
3. Protezione con Fusibili: Fusibili primari (CL, classe E) per interruzione guasti. Fusibili secondari (0,5-1 A) solo per protezione cablaggio — mai fare affidamento sul fusibile secondario per la protezione del PT.
4. Limite di Carico: VA totale collegato (contatori + relè + conduttori) < Carico Nominale del PT (alla classe di precisione). Carico eccessivo = errore di rapporto/fase.

Schema Elettrico Tipico (Monofase, Secondario a Terra)

 Linea HV │ [Fusibile] (Fusibile Primario) │ ┌┴┐ │ │ Avvolgimento Primario (Np) └┬┘ │ ┌────┴────┐ │ │ [PT] [GND] ← Neutro Primario / Terra (Sistema) │ ├──[Rs + jXs]──→ X1 (120 V) → [Contatore/Relè] → X2 (GND) │ [GND] ← Terra Secondaria (OBBLIGATORIA) 

Applicazioni

• Misura Fiscale: Classe 0.15/0.3, basso carico, interruttori di prova.
• Protezione (Distanza, Differenziale, Sovratensione): Classe 0.3S/1.2/3.0. CVT (Trasformatore di Tensione Capacitivo) spesso usato >115 kV.
• Sincronismo (25): Confronto di ampiezza tensione, angolo di fase, frequenza.
• Regolazione di Tensione (Controllo Selettore di Spira): Compensazione caduta di linea.

Distinzione Chiave: PT = Induttivo (nucleo magnetico). CVT = Partitore capacitivo + EMU (reattore di sintonia + trasformatore). CVT più economico >138 kV ma presenta errori transitori (rischio di ferro-resonanza). PT preferito per precisione/protezione a basse tensioni.