Un transformador de corriente ( TC ) 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 medida . Los transformadores de medida convierten los valores grandes de tensión o de corriente en valores pequeños y estandarizados que son fáciles de manejar para los instrumentos de medida y los relés de protección . Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de 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 despreciable al 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 "voltaje" 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 TC. Los transformadores de corriente precisos necesitan un acoplamiento estrecho entre el primario y el secundario para garantizar que la corriente secundaria sea proporcional a la corriente primaria en un amplio rango de corrientes. La corriente en el secundario es la corriente en el primario (suponiendo que el primario tiene 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 de anillo de acero al silicio enrollado con muchas vueltas de cable de cobre, como se muestra en la ilustración de la derecha. El conductor que transporta la corriente primaria pasa a través del anillo. Por lo tanto, el primario del TC consta de una sola "vuelta". El "devanado" primario puede ser una parte permanente del transformador de corriente, es decir, una barra de cobre pesada para transportar la corriente a través del núcleo. Los transformadores de corriente de tipo ventana también son comunes, en los que se pueden pasar cables de circuito por el medio de una abertura en el núcleo para proporcionar un devanado primario de una sola vuelta. Para ayudar a la precisión, el conductor primario debe estar centrado en la abertura.
Los TC se especifican por su relación de corriente de primario a secundario. La corriente secundaria nominal normalmente está estandarizada en 1 o 5 amperios. Por ejemplo, un devanado secundario de TC 4000:5 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 TC 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 a la impedancia se realiza simplemente multiplicando el valor de impedancia secundaria inicial por la relación de corriente. El devanado secundario de un TC puede tener tomas para proporcionar un rango de relaciones, siendo cinco tomas lo común. [1]
Las formas y tamaños de los transformadores de corriente varían según el usuario final o el fabricante de los equipos de conmutación. Los transformadores de corriente de medición de relación simple de bajo voltaje son de tipo anillo o de carcasa moldeada de plástico.
Los transformadores de corriente de núcleo dividido tienen un núcleo de dos piezas 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 batería y se sostienen con la mano (ver 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 transformadores de corriente de uso comercial impulsan el medidor de vatios-hora de la empresa eléctrica en muchos suministros comerciales e industriales de mayor tamaño.
Los transformadores de corriente de alto voltaje se montan sobre aisladores de porcelana o polímero para aislarlos de la tierra. Algunas configuraciones de TC se deslizan alrededor del buje de un transformador de alto voltaje o un disyuntor , lo que centra automáticamente el conductor dentro de la ventana del TC.
Los transformadores de corriente se pueden montar en los cables de alta o baja tensión 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 TC como una "pila" para diversos usos. Por ejemplo, los dispositivos de protección y la medición de ingresos pueden utilizar TC separados para proporcionar aislamiento entre los circuitos de medición y protección y permitir que se utilicen transformadores de corriente con diferentes características (precisión, rendimiento de sobrecarga) para los dispositivos.
En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional (NEC) exige que los sistemas eléctricos comerciales y residenciales utilicen dispositivos de corriente residual para proteger los tomacorrientes instalados en lugares "húmedos", como cocinas y baños, así como los tomacorrientes resistentes a la intemperie instalados en exteriores. Dichos dispositivos, más comúnmente los interruptores de circuito por 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 TC y ninguna corriente en la bobina secundaria. Si la corriente de suministro se redirige aguas abajo hacia el tercer conductor del circuito (tierra) (por ejemplo, si la carcasa metálica conectada a tierra de una herramienta eléctrica entra en contacto con un conductor de 120 voltios), o hacia la tierra física (por ejemplo, si una persona entra en contacto con un conductor de 120 voltios), la corriente de retorno neutra será menor que la corriente de suministro, lo que dará como resultado un flujo de corriente neta positivo a través del TC. Este flujo de corriente neta inducirá corriente en la bobina secundaria, lo que hará que el dispositivo de disparo funcione y desactive el circuito, generalmente en 0,2 segundos. [2]
La impedancia de carga no debe superar el valor máximo especificado para evitar que el voltaje secundario supere los límites del transformador de corriente. No se debe superar la corriente nominal primaria de un transformador de corriente, ya que el núcleo puede entrar en su región no lineal y, en última instancia, saturarse . Esto ocurriría cerca del final de la primera mitad de cada mitad (positiva y negativa) de la onda sinusoidal de CA en el primario y comprometería la precisión. [1]
Los transformadores de corriente se utilizan a menudo para controlar corrientes elevadas o corrientes a altos voltajes. 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 se encuentre en el primario, ya que el secundario intentará continuar impulsando la corriente hacia una impedancia infinita efectiva , lo que podría generar altos voltajes y comprometer la seguridad del operador. En el caso de ciertos transformadores de corriente, este voltaje puede alcanzar varios kilovoltios y provocar arcos eléctricos . Exceder el voltaje secundario también puede degradar la precisión del transformador o destruirlo. El voltaje de salida en funcionamiento abierto está limitado por la saturación del núcleo, ya que el flujo primario ya no se cancela con el flujo secundario; los transformadores de corriente más pequeños pueden no incurrir en voltajes peligrosos cuando funcionan nominalmente. Sin embargo, los transitorios de corriente más rápidos de las cargas que se encienden, etc., aún pueden inducir niveles de voltaje peligrosos debido a la alta pendiente de corriente. [1]
La precisión de una tomografía computarizada se ve afectada por una serie de factores, entre ellos:
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 TC de 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 especificada. [1]
Los transformadores de corriente que se utilizan para relés de protección también tienen requisitos de precisión en corrientes de sobrecarga que exceden la clasificación normal para garantizar un rendimiento preciso de los relés durante fallas del sistema. Un TC con una clasificación de 2.5L400 especifica que con una salida de su devanado secundario de veinte veces su corriente secundaria nominal (generalmente 5 A × 20 = 100 A ) y 400 V (caída de 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 de TC es en gran medida la impedancia resistiva presentada a su devanado secundario. Las clasificaciones de carga típicas para los TC 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 incorporan escalas de error de magnitud y ángulo de fase en la carga nominal del TC. 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 exceso de impedancia de carga es el conductor entre el medidor y el TC. 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 transformadores de corriente con corrientes secundarias más bajas (1 A), los cuales producirán una menor caída de voltaje entre el transformador de corriente y sus dispositivos de medición. [1]
El voltaje de 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 en el que un aumento del 10% en el voltaje aplicado aumenta la corriente magnetizante en un 50%. [3] 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 la medición de transformadores de corriente, ya que su precisión es generalmente mucho mayor, pero 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 están necesariamente expuestos a corrientes de falla de 20 a 30 veces la corriente nominal. [4]
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 factor de potencia , el cambio de fase produce errores. Para la medición de potencia y energía, los errores se consideran insignificantes en el factor de potencia unitario, pero se vuelven más significativos a medida que el factor de potencia se acerca a cero. La introducción de medidores electrónicos de potencia y energía ha permitido calibrar el error de fase de corriente. [5]
Los transformadores de corriente de 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 la tierra. Mediante el uso de aislamiento de aceite y bujes 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 solo 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 modo que no pase corriente de la cubierta neta 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 pasados a través del anillo. Solo la corriente desequilibrada neta produce una corriente secundaria; esto se puede utilizar para detectar una falla de un conductor energizado a tierra. Los transformadores de tipo anillo generalmente utilizan sistemas de aislamiento seco, con una carcasa de plástico o caucho duro sobre los devanados secundarios.
Para conexiones temporales, se puede colocar 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 bobinado con muchas vueltas. Debido a que los huecos en el segmento articulado introducen imprecisiones, estos 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 tomas en sus devanados secundarios, lo que proporciona varias relaciones en el 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 alta tensión puede tener varios devanados secundarios con el mismo primario, para permitir circuitos de medición y protección separados, o para la conexión a diferentes tipos de dispositivos de protección. Por ejemplo, un secundario puede usarse para la protección contra sobrecorriente de ramales, mientras que un segundo devanado puede usarse en un esquema de protección diferencial de barras y un tercer devanado puede usarse para la medición de potencia y corriente. [1]
También se utilizan transformadores de corriente de banda ancha especialmente construidos (normalmente con un osciloscopio ) para medir formas de onda de corrientes pulsadas o de alta frecuencia en sistemas de potencia pulsada . A diferencia de los TC utilizados para circuitos de potencia, los TC de banda ancha se clasifican 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 es verdadera, entonces el transformador es inductivo y proporciona 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 definitiva, dependiendo de los requisitos del cliente, existen dos normas principales según las cuales se diseñan los transformadores de corriente: IEC 61869-1 (anteriormente IEC 60044-1) e IEEE C57.13 (ANSI), aunque también se reconocen las normas canadienses y australianas. [1] [6]
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 cuadros de distribución o en pasamuros de aparatos, pero muy a menudo se utilizan transformadores de corriente para exteriores independientes. En un patio de distribución, los transformadores de corriente de tanque vivo tienen una parte sustancial de su envolvente energizada a la tensión de línea y deben montarse sobre aisladores. Los transformadores de corriente de tanque muerto aíslan el circuito medido del envolvente. Los transformadores de corriente de tanque vivo son útiles porque el conductor primario es corto, lo que proporciona una mejor estabilidad y una mayor corriente nominal de cortocircuito. El primario del devanado se puede distribuir uniformemente alrededor del núcleo magnético, lo que proporciona un mejor rendimiento para sobrecargas y transitorios. Dado que el aislamiento principal de un transformador de corriente de tanque vivo 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). [7] Un transformador de corriente neutro se utiliza como protección contra falla a tierra para medir cualquier corriente de falla que fluya a través de la línea neutra desde el punto neutro en estrella de un transformador.
