Progettazione e validazione di un trasformatore di corrente a nucleo apribile ad alta precisione : design and validation of a split-core high-accuracy current transformer

This thesis investigates the physical mechanisms responsible for accuracy degradation in split-core current transformers (CTs) and proposes a geometry-based mitigation strategy to address the dominant error source. While split-core CTs provide significant installation advantages in retrofit and smart-grid applications, the mechanical split introduces discontinuities in the magnetic circuit that can substantially affect ratio and phase accuracy. A three-dimensional finite-element framework was developed to isolate and rank geometric imperfections using a One-Factor-At-a-Time (OFAT) methodology under linear, lossless magnetic assumptions. The analysis demonstrates that air-gap reluctance at the split interface overwhelmingly governs ratio error, whereas secondary imperfections such as winding displacement and yoke misalignment exert comparatively weaker influence. Based on this diagnosis, a stepped lap joint was introduced as a targeted geometric modification to reduce effective closure reluctance and its sensitivity to gap variations. Finite-element validation confirms a monotonic reduction in ratio error with increasing lap depth, along with improved robustness against air-gap tolerances. A nonlinear material study further verifies that the qualitative hierarchy of mechanisms and the effectiveness of the mitigation strategy remain valid under realistic magnetic operating conditions. The results demonstrate that split-core CT accuracy is primarily governed by magnetic closure quality and that mechanism-based geometric design provides a robust pathway toward high-accuracy instrument transformer performance.

Questa tesi analizza i meccanismi fisici responsabili del degrado di accuratezza nei trasformatori di corrente a nucleo apribile (split-core) e propone una strategia di mitigazione basata su una modifica geometrica mirata al meccanismo dominante. Sebbene i trasformatori split-core offrano importanti vantaggi di installazione in applicazioni di retrofit e smart grid, la presenza della giunzione meccanica introduce discontinuità nel circuito magnetico che possono compromettere significativamente l’errore di rapporto e lo sfasamento. È stato sviluppato un modello tridimensionale agli elementi finiti per isolare e classificare le imperfezioni geometriche mediante una metodologia One-Factor-At-a-Time (OFAT), assumendo un materiale magnetico lineare e privo di perdite. L’analisi dimostra che la riluttanza dell’intercapedine d’aria in corrispondenza della giunzione domina in modo decisivo l’errore di rapporto, mentre imperfezioni secondarie quali lo spostamento dell’avvolgimento e il disallineamento dei gioghi hanno un’influenza significativamente minore. Sulla base di tale diagnosi, è stata introdotta una giunzione a gradino (stepped lap joint) come modifica geometrica mirata alla riduzione della riluttanza effettiva di chiusura e della sua sensibilità alle variazioni dell’intercapedine. La validazione numerica agli elementi finiti conferma una riduzione monotona dell’errore di rapporto all’aumentare della profondità del gradino, nonché una maggiore robustezza rispetto alle tolleranze meccaniche dell’intercapedine. Uno studio con materiale magnetico non lineare verifica inoltre che la gerarchia qualitativa dei meccanismi e l’efficacia della strategia di mitigazione rimangono valide anche in condizioni operative realistiche. I risultati dimostrano che l’accuratezza dei trasformatori split-core è governata principalmente dalla qualità della chiusura magnetica e che una progettazione geometrica basata sui meccanismi fisici rappresenta un approccio robusto per ottenere elevate prestazioni negli strumenti di misura.