Un transformador de corriente ( CT ) es un tipo de transformador que se utiliza para reducir o multiplicar una corriente alterna (CA). Produce una corriente en su secundario que es proporcional a la corriente en su primario.
Los transformadores de corriente, junto con los transformadores de tensión o de potencial, son transformadores de instrumentos . Los transformadores de instrumentos escalan los valores grandes de voltaje o corriente a valores pequeños y estandarizados que son fáciles de manejar para instrumentos de medición y relés de protección . Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o protección de la alta tensión del sistema primario. Un transformador de corriente proporciona una corriente secundaria que es exactamente proporcional a la corriente que fluye en su primario. El transformador de corriente presenta una carga insignificante para el circuito primario. [1]
Los transformadores de corriente son las unidades de detección de corriente del sistema eléctrico y se utilizan en estaciones generadoras, subestaciones eléctricas y en la distribución de energía eléctrica industrial y comercial.
Un transformador de corriente tiene un devanado primario, un núcleo y un devanado secundario, aunque algunos transformadores utilizan un núcleo de aire. Si bien los principios físicos son los mismos, los detalles de un transformador de "corriente" en comparación con un transformador de "tensión" diferirán debido a los diferentes requisitos de la aplicación. Un transformador de corriente está diseñado para mantener una relación precisa entre las corrientes en sus circuitos primario y secundario en un rango definido.
La corriente alterna en el primario produce un campo magnético alterno en el núcleo, que luego induce una corriente alterna en el secundario. El circuito primario no se ve afectado en gran medida por la inserción del CT. Los transformadores de corriente precisos necesitan un estrecho acoplamiento entre el primario y el secundario para garantizar que la corriente secundaria sea proporcional a la corriente primaria en un amplio rango de corriente. La corriente en el secundario es la corriente en el primario (asumiendo un primario de una sola vuelta) dividida por el número de vueltas del secundario. En la ilustración de la derecha, 'I' es la corriente en el primario, 'B' es el campo magnético, 'N' es el número de vueltas en el secundario y 'A' es un amperímetro de CA.
Los transformadores de corriente normalmente constan de un núcleo anular de acero al silicio enrollado con muchas vueltas de alambre de cobre, como se muestra en la ilustración de la derecha. El conductor que transporta la corriente primaria pasa a través del anillo. La primaria del CT, por tanto, consta de un único "giro". El 'devanado' primario puede ser una parte permanente del transformador de corriente, es decir, una pesada barra de cobre para transportar corriente a través del núcleo. También son comunes los transformadores de corriente de tipo ventana, que pueden tener cables de circuito que pasan por el medio de una abertura en el núcleo para proporcionar un devanado primario de una sola vuelta. Para mejorar la precisión, el conductor primario debe estar centrado en la apertura.
Los CT se especifican por su relación actual de primario a secundario. La corriente secundaria nominal normalmente está estandarizada en 1 o 5 amperios. Por ejemplo, un devanado secundario de 4000:5 CT suministrará una corriente de salida de 5 amperios cuando la corriente del devanado primario es de 4000 amperios. Esta relación también se puede utilizar para encontrar la impedancia o el voltaje en un lado del transformador, dado el valor apropiado en el otro lado. Para el CT 4000:5, la impedancia secundaria se puede encontrar como Z S = NZ P = 800Z P , y el voltaje secundario se puede encontrar como V S = NV P = 800V P. En algunos casos, la impedancia secundaria se refiere al lado primario y se encuentra como Z S ′ = N 2 Z P . La referencia de la impedancia se realiza simplemente multiplicando el valor de la impedancia secundaria inicial por la relación de corriente. El devanado secundario de un CT puede tener derivaciones para proporcionar una variedad de relaciones, siendo común cinco derivaciones. [1]
Las formas y tamaños de los transformadores de corriente varían según el usuario final o el fabricante del interruptor. Los transformadores de corriente de medición de relación única de bajo voltaje son de tipo anillo o de caja moldeada de plástico.
Los transformadores de corriente de núcleo dividido tienen un núcleo de dos partes o un núcleo con una sección extraíble. Esto permite colocar el transformador alrededor de un conductor sin desconectarlo primero. Los transformadores de corriente de núcleo dividido se utilizan normalmente en instrumentos de medición de baja corriente, a menudo portátiles, que funcionan con baterías y de mano (consulte la ilustración inferior derecha).
Los transformadores de corriente se utilizan ampliamente para medir la corriente y monitorear el funcionamiento de la red eléctrica . Junto con los cables de voltaje, los CT de grado comercial impulsan el medidor de vatios-hora de la empresa de servicios eléctricos en muchos suministros comerciales e industriales más grandes.
Los transformadores de corriente de alto voltaje se montan sobre aisladores de porcelana o polímero para aislarlos de tierra. Algunas configuraciones de CT se deslizan alrededor del casquillo de un transformador o disyuntor de alto voltaje , lo que centra automáticamente el conductor dentro de la ventana del CT.
Los transformadores de corriente se pueden montar en los cables de bajo o alto voltaje de un transformador de potencia. A veces se puede quitar una sección de una barra colectora para reemplazar un transformador de corriente.
A menudo, se instalan varios CT como una "pila" para diversos usos. Por ejemplo, los dispositivos de protección y la medición de ingresos pueden usar CT separados para proporcionar aislamiento entre los circuitos de medición y protección y permiten usar transformadores de corriente con diferentes características (precisión, rendimiento de sobrecarga) para los dispositivos.
En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional (NEC) exige dispositivos de corriente residual en sistemas eléctricos comerciales y residenciales para proteger los enchufes instalados en lugares "húmedos" como cocinas y baños, así como los enchufes resistentes a la intemperie instalados al aire libre. Dichos dispositivos, más comúnmente interruptores de circuito de falla a tierra (GFCI), generalmente hacen pasar tanto el conductor energizado de 120 voltios como el conductor de retorno neutro a través de un transformador de corriente, con la bobina secundaria conectada a un dispositivo de disparo.
En condiciones normales, la corriente en los dos cables del circuito será igual y fluirá en direcciones opuestas, lo que dará como resultado una corriente neta cero a través del CT y ninguna corriente en la bobina secundaria. Si la corriente de suministro se redirige aguas abajo al conductor del tercer circuito (tierra) (por ejemplo, si la caja metálica conectada a tierra de una herramienta eléctrica hace contacto con un conductor de 120 voltios), o a tierra (por ejemplo, si una persona hace contacto con un conductor de 120 voltios), conductor), la corriente de retorno del neutro será menor que la corriente de suministro, lo que dará como resultado un flujo de corriente neto positivo a través del CT. Este flujo de corriente neto inducirá corriente en la bobina secundaria, lo que hará que el dispositivo de disparo funcione y desenergice el circuito, normalmente en 0,2 segundos. [ cita necesaria ]
La impedancia de carga (carga) no debe exceder el valor máximo especificado para evitar que el voltaje secundario exceda los límites del transformador de corriente. No se debe exceder la clasificación de corriente primaria de un transformador de corriente, o el núcleo puede entrar en su región no lineal y finalmente saturarse . Esto ocurriría cerca del final de la primera mitad de cada mitad (positiva y negativa) de la onda sinusoidal de CA en la precisión primaria y de compromiso. [1]
Los transformadores de corriente se utilizan a menudo para controlar corrientes elevadas o corrientes de alto voltaje. Se utilizan normas técnicas y prácticas de diseño para garantizar la seguridad de las instalaciones que utilizan transformadores de corriente.
El secundario de un transformador de corriente no debe desconectarse de su carga mientras la corriente esté en el primario, ya que el secundario intentará continuar impulsando la corriente hacia una impedancia infinita efectiva , generando potencialmente altos voltajes y comprometiendo así la seguridad del operador. Para ciertos transformadores de corriente, este voltaje puede alcanzar varios kilovoltios y puede causar arcos . Exceder el voltaje secundario también puede degradar la precisión del transformador o destruirlo. El voltaje de salida en operación abierta está limitado por la saturación del núcleo, ya que el flujo primario ya no es cancelado por el flujo secundario; es posible que los transformadores de corriente más pequeños en realidad no incurran en voltajes peligrosos cuando operan nominalmente. Sin embargo, los transitorios de corriente más rápidos debidos a cargas que se encienden, etc., aún pueden inducir niveles de voltaje peligrosos debido a la alta pendiente de corriente. [1]
La precisión de una TC se ve afectada por una serie de factores que incluyen:
Las clases de precisión para varios tipos de medición y en cargas estándar en el circuito secundario (cargas) se definen en IEC 61869-1 como clases 0,1, 0,2 s, 0,2, 0,5, 0,5 s, 1 y 3. La designación de clase es una medida aproximada. de la precisión del TC. El error de relación (corriente primaria a secundaria) de un CT Clase 1 es del 1% a la corriente nominal; El error de relación de un TC de clase 0,5 es del 0,5% o menos. Los errores de fase también son importantes, especialmente en circuitos de medición de potencia. Cada clase tiene un error de fase máximo permitido para una impedancia de carga específica. [1]
Los transformadores de corriente utilizados para relés de protección también tienen requisitos de precisión en corrientes de sobrecarga superiores a la clasificación normal para garantizar el rendimiento preciso de los relés durante fallas del sistema. Un CT con una clasificación de 2.5L400 especifica con una salida de su devanado secundario de veinte veces su corriente secundaria nominal (generalmente 5 A × 20 = 100 A ) y 400 V (caída IZ), su precisión de salida estará dentro del 2,5 por ciento.
La carga secundaria de un transformador de corriente se denomina "carga" para distinguirla de la carga primaria.
La carga en una red eléctrica de medición CT es en gran medida la impedancia resistiva presentada a su devanado secundario. Las clasificaciones de carga típicas para los CT IEC son 1,5 VA , 3 VA, 5 VA, 10 VA, 15 VA, 20 VA, 30 VA, 45 VA y 60 VA. Las clasificaciones de carga ANSI/IEEE son B-0.1, B-0.2, B-0.5, B-1.0, B-2.0 y B-4.0. Esto significa que un TC con una clasificación de carga de B-0,2 mantendrá su precisión indicada con hasta 0,2 Ω en el circuito secundario. Estos diagramas de especificaciones muestran paralelogramos de precisión en una cuadrícula que incorpora escalas de error de ángulo de fase y magnitud en la carga nominal del CT. Los elementos que contribuyen a la carga de un circuito de medición de corriente son los bloques de interruptores, los medidores y los conductores intermedios . La causa más común de impedancia de carga excesiva es el conductor entre el medidor y el CT. Cuando los medidores de subestaciones están ubicados lejos de los gabinetes de medidores, la longitud excesiva del cable crea una gran resistencia. Este problema se puede reducir utilizando cables más gruesos y CT con corrientes secundarias más bajas (1 A), los cuales producirán menos caída de voltaje entre el CT y sus dispositivos de medición. [1]
El voltaje del punto de inflexión de un transformador de corriente es la magnitud del voltaje secundario por encima del cual la corriente de salida deja de seguir linealmente la corriente de entrada dentro de la precisión declarada. En las pruebas, si se aplica un voltaje a través de los terminales secundarios, la corriente magnetizante aumentará en proporción al voltaje aplicado, hasta que se alcance el punto de inflexión. El punto de inflexión se define como el voltaje al cual un aumento del 10% en el voltaje aplicado aumenta la corriente magnetizante en un 50%. [2] Para voltajes mayores que el punto de inflexión, la corriente magnetizante aumenta considerablemente incluso para pequeños incrementos en el voltaje a través de los terminales secundarios. El voltaje de punto de inflexión es menos aplicable para medir transformadores de corriente ya que su precisión es generalmente mucho mayor pero está limitada dentro de un rango muy pequeño de la clasificación del transformador de corriente, típicamente de 1,2 a 1,5 veces la corriente nominal. Sin embargo, el concepto de voltaje de punto de inflexión es muy pertinente para los transformadores de corriente de protección, ya que necesariamente están expuestos a corrientes de falla de 20 a 30 veces la corriente nominal. [3]
Idealmente, las corrientes primaria y secundaria de un transformador de corriente deberían estar en fase. En la práctica, esto es imposible, pero, a frecuencias de potencia normales, se pueden lograr cambios de fase de unas pocas décimas de grado, mientras que los TC más simples pueden tener cambios de fase mayores. Para la medición de corriente, el cambio de fase es irrelevante ya que los amperímetros solo muestran la magnitud de la corriente. Sin embargo, en vatímetros , medidores de energía y factores de potencia , el cambio de fase produce errores. Para la medición de potencia y energía, los errores se consideran insignificantes con un factor de potencia unitario, pero se vuelven más significativos a medida que el factor de potencia se aproxima a cero. La introducción de contadores electrónicos de potencia y energía ha permitido calibrar el error de fase actual. [4]
Los transformadores de corriente tipo barra tienen terminales para las conexiones de fuente y carga del circuito primario, y el cuerpo del transformador de corriente proporciona aislamiento entre el circuito primario y tierra. Mediante el uso de aislamiento de aceite y casquillos de porcelana, estos transformadores se pueden aplicar a los voltajes de transmisión más altos. [1]
Los transformadores de corriente de tipo anillo se instalan sobre una barra colectora o un cable aislado y tienen sólo un bajo nivel de aislamiento en la bobina secundaria. Para obtener relaciones no estándar o para otros fines especiales, se puede pasar más de una vuelta del cable primario a través del anillo. Cuando hay un blindaje metálico en la cubierta del cable, se debe terminar de manera que no pase corriente neta de la cubierta a través del anillo, para garantizar la precisión. Los transformadores de corriente utilizados para detectar corrientes de falla a tierra (secuencia cero), como en una instalación trifásica, pueden tener tres conductores primarios que pasan a través del anillo. Sólo la corriente neta desequilibrada produce una corriente secundaria; esto se puede utilizar para detectar una falla de un conductor energizado a tierra. Los transformadores de tipo anillo suelen utilizar sistemas de aislamiento seco, con una carcasa de goma dura o plástico sobre los devanados secundarios.
Para conexiones temporales, se puede deslizar un transformador de corriente de tipo anillo partido sobre un cable sin desconectarlo. Este tipo tiene un núcleo de hierro laminado, con una sección articulada que permite instalarlo sobre el cable; el núcleo vincula el flujo magnético producido por el devanado primario de una sola vuelta a un secundario enrollado con muchas vueltas. Debido a que los huecos en el segmento articulado introducen imprecisión, dichos dispositivos normalmente no se utilizan para la medición de ingresos.
Los transformadores de corriente, especialmente aquellos destinados al servicio de subestaciones de alta tensión, pueden tener múltiples derivaciones en sus devanados secundarios, proporcionando varias relaciones en un mismo dispositivo. Esto se puede hacer para permitir un inventario reducido de unidades de repuesto o para permitir el crecimiento de la carga en una instalación. Un transformador de corriente de alto voltaje puede tener varios devanados secundarios con el mismo primario, para permitir circuitos de protección y medición separados, o para la conexión a diferentes tipos de dispositivos de protección. Por ejemplo, se puede usar un secundario para protección contra sobrecorriente de rama, mientras que se puede usar un segundo devanado en un esquema de protección diferencial de bus y un tercer devanado usado para medición de potencia y corriente. [1]
También se utilizan transformadores de corriente de banda ancha especialmente construidos (generalmente con un osciloscopio ) para medir formas de onda de corrientes pulsadas o de alta frecuencia dentro de sistemas de potencia pulsados . A diferencia de los CT utilizados para circuitos de potencia, los CT de banda ancha están clasificados en voltios de salida por amperio de corriente primaria.
Si la resistencia de carga es mucho menor que la impedancia inductiva del devanado secundario a la frecuencia de medición, entonces la corriente en el secundario sigue la corriente primaria y el transformador proporciona una salida de corriente que es proporcional a la corriente medida. Por otro lado, si esa condición no se cumple, entonces el transformador es inductivo y da una salida diferencial. La bobina de Rogowski utiliza este efecto y requiere un integrador externo para proporcionar una salida de voltaje que sea proporcional a la corriente medida.
En última instancia, dependiendo de los requisitos del cliente, existen dos estándares principales según los cuales se diseñan los transformadores de corriente. IEC 61869-1 (anteriormente IEC 60044-1) e IEEE C57.13 (ANSI), aunque también se reconocen los estándares canadienses y australianos. [ 15]
Los transformadores de corriente se utilizan para protección, medición y control en subestaciones eléctricas de alta tensión y en la red eléctrica . Los transformadores de corriente pueden instalarse dentro de aparamenta o en pasatapas de aparatos, pero muy a menudo se utilizan transformadores de corriente independientes para exteriores. En un patio de distribución, los transformadores de corriente de tanque vivo tienen una parte sustancial de su envolvente energizada con el voltaje de línea y deben montarse sobre aisladores. Los transformadores de corriente de tanque muerto aíslan el circuito medido del gabinete. Los CT de tanque vivo son útiles porque el conductor primario es corto, lo que proporciona una mejor estabilidad y una clasificación de corriente de cortocircuito más alta. El primario del devanado se puede distribuir uniformemente alrededor del núcleo magnético, lo que proporciona un mejor rendimiento ante sobrecargas y transitorios. Dado que el aislamiento principal de un transformador de corriente con tanque activo no está expuesto al calor de los conductores primarios, se mejora la vida útil del aislamiento y la estabilidad térmica. [1]
Un transformador de corriente de alto voltaje puede contener varios núcleos, cada uno con un devanado secundario, para diferentes propósitos (como circuitos de medición, control o protección). [6] Un transformador de corriente neutro se utiliza como protección contra fallas a tierra para medir cualquier corriente de falla que fluya a través de la línea neutral desde el punto neutro en estrella de un transformador.
