Definición de transformador de corriente: cómo funcionan, tipos, precisión y seguridad de los CT

Pregúntele a dos ingenieros qué es un transformador de corriente y escuchará dos respuestas que suenan diferentes pero significan lo mismo. Uno describe el medidor que factura a una fábrica por su energía. El otro describe el relé que dispara un disyuntor en unos pocos milisegundos. Ambos hablan de un dispositivo que reproduce la corriente que fluye en un circuito primario como una copia más pequeña y escalada con precisión en un circuito secundario, manteniendo los dos circuitos eléctricamente separados. Esa separación es el punto: los instrumentos y relés pueden funcionar a voltajes seguros mientras el conductor primario permanece en el potencial del sistema.

Definición de transformador de corriente: lo que realmente significa el término

Un transformador de corriente, normalmente abreviado como CT, es un transformador de instrumentos en el que la corriente secundaria es, en condiciones normales de uso, sustancialmente proporcional a la corriente primaria y desplazada en fase de ella en un ángulo cercano a cero para una dirección de conexión definida. Ésa es la definición formal utilizada en IEC 61869-2 e IEEE C57.13, y conlleva tres consecuencias prácticas.

• La relación se fija en fábrica. Un CT 400/5 siempre se multiplica por un factor de 80, y nada conectado en la secundaria cambia eso.
• El secundario se comporta como una fuente de corriente. Su corriente la establece la corriente primaria, no la carga que se le atribuye, siempre que la carga permanezca dentro del límite nominal.
• Dos misiones, dos diseños. Los núcleos de medición están construidos para brindar precisión con carga normal; Los núcleos de protección están diseñados para permanecer predecibles cuando la corriente de falla alcanza diez o veinte veces el valor nominal.

Las clasificaciones secundarias estándar son 1 A y 5 A. Un secundario de 1 A mantiene bajos los voltios de carga y las pérdidas de cables, lo que se adapta a tramos de cable largos en subestaciones grandes, mientras que los secundarios de 5 A son comunes en aparamentas industriales donde los tramos son cortos.

Cómo un transformador de corriente produce una corriente secundaria proporcional

Un CT es un circuito magnético. El primario es una sola barra, cable o barra colectora que pasa a través de la ventana del núcleo, o un devanado de algunas vueltas alrededor del núcleo. El secundario es un devanado de muchas vueltas de alambre de cobre delgado en el mismo núcleo. El equilibrio amperio-vuelta mantiene las dos corrientes en el paso: la corriente primaria multiplicada por las vueltas primarias es igual a la corriente secundaria multiplicada por las vueltas secundarias, más la pequeña corriente de excitación que magnetiza el núcleo.

Tome un CT 400/5 que transporta 100 A. La corriente secundaria es 100 A multiplicada por 5/400, que es 1,25 A. El núcleo no decide ese número; la física lo hace. Lo que sí influye el núcleo es el pequeño error que queda, porque un mejor material del núcleo, una sección transversal más grande y una ruta magnética más corta reducen la corriente de excitación y, por lo tanto, reducen la relación y el error de fase.

La tensión secundaria tampoco es fija. Es lo que se necesita para impulsar la corriente secundaria a través de la carga conectada, es decir, la impedancia total de los cables piloto, terminales, amperímetros, transductores y bobinas de relé. Mantenga la carga dentro de los voltios nominales y la copia se mantendrá fiel. Excédalo o permita que una falla empuje el núcleo a la saturación y la corriente secundaria dejará de seguir a la primaria con precisión.

Tipos de transformadores de corriente utilizados en aparamenta moderna

La construcción física varía según el lugar donde debe vivir el CT.

• Primario devanado: un devanado primario de múltiples vueltas para corrientes primarias bajas y tareas de medición compactas.
• Tipo barra o pasante: barra primaria sólida que sirve también de soporte mecánico, habitual en paneles de media tensión.
• Ventana, anillo o toroidal: a través de la ventana central se pasa un cable o barra colectora, lo que resulta conveniente para trabajos de modernización.
• Montado en casquillo: el CT se coloca alrededor de un casquillo dentro de un transformador, disyuntor o compartimento de aparamenta, lo que ahorra espacio en el panel.
• Núcleo dividido o con abrazadera: el núcleo se abre para encajar alrededor de un conductor existente, útil para auditorías energéticas sin cortes.
• Equilibrio de núcleo o secuencia cero: las tres fases pasan a través de un núcleo, por lo que solo se mide la corriente residual, un elemento básico estándar para la protección sensible de fallas a tierra.

El aislamiento divide a la familia con la misma claridad: resina epoxi fundida para equipos interiores de media tensión, petróleo o gas para voltajes más altos y plástico moldeado o aire para instrumentos de panel de bajo voltaje. Debido a que un CT casi siempre termina dentro de un compartimiento de aparamenta, el tamaño de la ventana, el espaciado de las barras colectoras, la distancia de fuga y la disposición de los terminales generalmente se eligen junto con el panel mismo. Nuestra guía de aparamenta de alta tensión explica cómo encajan esos compartimentos, barras colectoras y enclavamientos alrededor de los transformadores de instrumentos.

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Clase de precisión, carga y otros valores nominales

La placa de identificación es un documento breve y todos los campos que contiene existen porque cambian la medida.

Tres valores más merecen atención. El factor de límite de precisión le indica cuántas veces la corriente nominal puede transportar un núcleo de protección antes de que su error supere el límite establecido. El factor de seguridad del instrumento le indica hasta qué punto se puede sobrecargar un núcleo de medición antes de que se pierda la precisión, y un factor bajo protege el medidor. La corriente térmica continua nominal, generalmente 1,2 veces la nominal, establece el techo térmico, mientras que la corriente térmica de corta duración y su duración describen lo que el CT puede sobrevivir durante una falla.

Por qué una secundaria abierta es peligrosa

Un secundario de CT normalmente opera cerca de un cortocircuito, con solo unos pocos voltios a través de él. Abra ese circuito mientras fluye la corriente primaria y el equilibrio cambia instantáneamente: sin amperios-vueltas secundarias para oponerse a la fuerza magnetomotriz primaria, toda la corriente primaria se convierte en corriente de excitación. El núcleo se satura con fuerza, el flujo cambia muy rápidamente y aparece un pico de voltaje pronunciado en los terminales abiertos. Ese pico puede alcanzar kilovoltios, suficientes para perforar el aislamiento, generar un arco y exponer a cualquiera que esté cerca a una descarga eléctrica grave, y el núcleo y el devanado pueden destruirse por calentamiento.

1. Cortocircuite el secundario con un enlace de cortocircuito o un bloque de terminales de prueba antes de desconectar cualquier medidor, relé o cable.
2. Utilice bloques de prueba con enlaces de cortocircuito de conexión antes de desconectar para que el circuito nunca esté abierto mientras el panel esté activo.
3. Ponga a tierra un punto del circuito secundario, normalmente el punto estrella, y sólo un punto, para evitar corrientes circulantes.
4. Verifique la polaridad P1, P2 y S1, S2 antes de energizar, porque la polaridad invertida rompe la protección diferencial y direccional.

Transformador de corriente versus transformador de voltaje

Ambos son transformadores de instrumentos y ambos existen para brindar a los instrumentos una copia segura y escalada de una cantidad primaria. Se comportan de manera opuesta.

Dónde se utilizan transformadores de corriente en instalaciones reales

Los TC aparecen allí donde es necesario medir la corriente de forma segura o actuar rápidamente.

• Medición de ingresos, donde la clase de precisión y la carga deciden si una factura es justa.
• Protección contra sobrecorriente y falla a tierra, donde el CT aún debe decir la verdad a muchas veces la corriente nominal.
• Esquemas de falla a tierra diferencial y restringida de transformadores, que dependen de características coincidentes y polaridad correcta.
• Protección de motores, generadores y alimentadores, además de calidad y monitoreo de energía para plantas y centros de datos.
• Paneles de control y sistemas energéticos de edificios, alimentación de PLC, SCADA y entradas de monitoreo.

En una unidad principal en anillo, una subestación compacta o una sala de distribución compacta, los CT se integran en el tablero en lugar de comprarse como componentes sueltos, porque la ventana, el montaje y el cableado son parte del diseño del panel.

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Cómo especificar un transformador de corriente: una lista de verificación práctica

• Clasificación y relación primaria: mantenga la carga normal entre el 50 y el 100 por ciento de la corriente primaria nominal, con margen para sobrecarga.
• Clasificación secundaria: 1 A para tramos de cable largos, 5 A para tramos industriales cortos.
• Clase de precisión: 0,5 o mejor para facturación, 5P o 10P para protección.
• Carga nominal: agregue bobinas de relé, bobinas de medidor, transductores y resistencia del cable piloto, luego mantenga un margen.
• Factor de límite de precisión y factor de seguridad: lo suficientemente alto para la peor falla, lo suficientemente bajo para proteger el medidor.
• Nivel de aislamiento, tamaño de ventana y montaje: coinciden con el tablero o transformador donde se ubicará el CT.
• Corriente térmica de corta duración: debe exceder la corriente de falla prevista durante el tiempo especificado.
• Medio ambiente: interior o exterior, temperatura ambiente, altitud, nivel de contaminación y requisitos sísmicos.

La mayoría de los errores de especificación se deben a que se trata el TC como una pieza aislada. En la práctica, el TC dentro de un panel, el propio panel y el transformador que protege son un solo sistema eléctrico. Un transformador grande de resina fundida y un relé alimentador ven la misma falla, por lo que los transformadores de instrumentos y los ajustes de protección deben coordinarse en lugar de seleccionarse por separado.

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Al final, la definición de un transformador de corriente es una promesa: mida fielmente la corriente primaria, aísle a las personas y los instrumentos aguas abajo y sea predecible cuando llegue una falla. La relación, la clase, la carga, el tamaño de la ventana y el aislamiento son simplemente los detalles a través de los cuales se cumple esa promesa en un cuadro de distribución en particular.

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