La tensione del punto di ginocchio (KPV) di un trasformatore di corrente è un parametro critico che definisce il confine tra le regioni lineari e saturate della caratteristica magnetizzante del TA. Rappresenta la massima tensione secondaria alla quale il TA può funzionare mantenendo un rapporto sostanzialmente lineare tra la tensione applicata e la corrente di eccitazione. Oltre il punto di ginocchio, piccoli aumenti di tensione causano grandi aumenti della corrente di eccitazione e la capacità del TA di trasformare accuratamente la corrente è gravemente compromessa.
La tensione del punto di ginocchio è formalmente definita come la tensione alla quale un aumento del 10% della tensione applicata provoca un aumento dal 30% al 50% della corrente secondaria. Questa definizione è specificata nelle norme IEC e fornisce un metodo standardizzato per caratterizzare l'inizio della saturazione. Secondo la norma IEC il punto di ginocchio è definito come il punto in cui un aumento di tensione del 10% provoca un aumento di corrente del 50%. Questa definizione consente agli ingegneri di confrontare i TA di diversi produttori in modo coerente.
La tensione del punto di curvatura è determinata dalle proprietà magnetiche del nucleo del CT e dal numero di spire secondarie. Un nucleo più grande con una maggiore densità del flusso di saturazione e più spire secondarie avrà una tensione del punto di ginocchio più elevata. La tensione al punto di curvatura viene generalmente misurata applicando una tensione CA variabile all'avvolgimento secondario con il primario aperto-circuitato e registrando la corrente di eccitazione a ciascun livello di tensione. La curva di eccitazione risultante mostra una regione lineare a basse tensioni, una regione di transizione (il ginocchio) e una regione saturata ad alte tensioni.
Nelle applicazioni di protezione, la tensione del punto di ginocchio è di particolare importanza. I TA di protezione devono mantenere la loro precisione durante condizioni di guasto quando le correnti primarie possono raggiungere molte volte il valore nominale. La tensione secondaria durante un guasto è determinata dal prodotto della corrente secondaria e del carico secondario totale. Se questa tensione supera la tensione del punto di ginocchio, il TA si saturerà e la corrente secondaria non rappresenterà accuratamente la corrente di guasto primaria. Ciò può causare il mancato funzionamento dei relè di protezione o il funzionamento con eccessivo ritardo.
La tensione di ginocchio richiesta per un'applicazione di protezione dipende dallo schema di protezione specifico e dai parametri del sistema. Per la protezione differenziale, la tensione del punto di ginocchio deve essere sufficientemente elevata da garantire la stabilità durante le condizioni di guasto passante. La tensione di ginocchio richiesta viene generalmente calcolata utilizzando la formula: VK Maggiore o uguale a 2 × VS, dove VS è la tensione stabilizzante. Ciò garantisce che il TA possa guidare la corrente necessaria attraverso il circuito del relè durante un guasto interno rimanendo stabile durante i guasti esterni.
La tensione del punto di ginocchio può essere calcolata dai dati nominali del TA utilizzando formule empiriche. Una formula comune è: VKP=(R1 + Prated/Inominale) × n × Inominale, dove R1 è la resistenza dell'avvolgimento secondario, Pratale è il carico nominale, Inominale è la corrente secondaria nominale e n è il fattore limite di precisione. Questa formula fornisce una stima della tensione del punto di ginocchio in base ai dati di targa del TA e può essere utilizzata per calcoli di progettazione preliminari.
Per un tipico TA di protezione con valore nominale 15 VA, 5P10, la tensione di ginocchio stimata può essere calcolata come: VK=(VA × ALF / In) + (ALF × In × Rct), dove VA è il carico nominale, ALF è il fattore limite di precisione, In è la corrente secondaria nominale e Rct è la resistenza dell'avvolgimento secondario. Utilizzando i valori di questo esempio: VK=(15 × 10 / 5) + (10 × 5 × Rct)=30 + 50 × Rct. Per un TA con una resistenza dell'avvolgimento secondario di 0,5 Ω, la tensione di ginocchio stimata sarebbe 30 + 25=55 V.
La tensione del punto di ginocchio è strettamente correlata al fattore limite di precisione (ALF). L'ALF specifica il multiplo della corrente primaria nominale al quale il TA deve comunque mantenere la precisione specificata. Un TA con un ALF elevato deve avere una tensione di ginocchio elevata per supportare l'elevata corrente secondaria che scorre durante le condizioni di guasto. La relazione tra ALF e tensione al punto di ginocchio è approssimativamente lineare, presupponendo carico e resistenza dell'avvolgimento costanti.
In pratica, la tensione del punto di curvatura viene verificata durante il test del TA per garantire che il TA soddisfi le sue specifiche. Il test prevede l'applicazione di una tensione variabile all'avvolgimento secondario e la misurazione della corrente di eccitazione a ciascun livello di tensione. Il punto di ginocchio viene identificato dalla curva di eccitazione come il punto in cui la curva inizia a deviare dalla linearità. Un TA con una tensione di ginocchio anormalmente bassa può indicare danni al nucleo, materiale del nucleo non corretto o problemi di avvolgimento.
La tensione del punto di ginocchio ha implicazioni anche per la sicurezza dei TA. Se il circuito secondario viene aperto mentre circola la corrente primaria, la tensione sul secondario aperto può salire a livelli pericolosi, limitati solo dalla tensione del punto di ginocchio e dalle caratteristiche di saturazione del nucleo. Questo è il motivo per cui il circuito secondario di un TA non deve mai essere aperto mentre scorre la corrente primaria. L'alta tensione che appare sui terminali secondari può mettere in pericolo il personale e danneggiare le apparecchiature.
In sintesi, la tensione di ginocchio è un parametro fondamentale che caratterizza il comportamento di saturazione di un trasformatore di corrente. Definisce il confine tra funzionamento lineare e saturato ed è essenziale per garantire che i TA di protezione funzionino in modo affidabile in condizioni di guasto. La corretta selezione della tensione del punto di curvatura-in base ai requisiti dell'applicazione e ai parametri del sistema-è essenziale per un funzionamento affidabile del sistema di protezione.