Els dos tipus principals de transformadors d'instrument en un sistema elèctric.

I. Transformador de tensió (VT)

El transformador de tensió (també conegut com a transformador de potencial, abreviat PT; i transformador de tensió, abreviat VT) és un dispositiu elèctric utilitzat per transformar nivells de tensió en circuits elèctrics.

1. Principi de funcionament

El transformador de tensió opera segons el principi de la inducció electromagnètica i té una estructura similar a la d'un transformador convencional, consistint principalment en una bobina primària, una bobina secundària i un nucli. La bobina primària es connecta en paral·lel al circuit de alta tensió que es mesura i té un gran nombre de voltants.

La bobina secundària, amb menys voltants, es connecta a instruments de mesura, relés de protecció i altres càrregues. En condicions normals d'operació, el costat secundari està aproximadament en un estat de circuit obert. Segons la llei de la inducció electromagnètica, la raó entre la tensió primària i la secundària és igual a la raó de voltants (U₁/U₂ = N₁/N₂). Això permet reduir proporcionalment la tensió alta a una tensió baixa estandarditzada (normalment 100V o 100/√3 V), fent-la segura i adequada per als dispositius de mesura i protecció.

El seu símbol elèctric és el següent:

2. Funcions

• Mesura de tensió: Redueix les tensions del sistema a tensions baixes estandarditzades (per exemple, 100V o 100/√3 V) per a l'ús de voltmetres, contadors d'energia i altres instruments de mesura, permetent la monitorització en temps real de la tensió del sistema elèctric.
• Protecció de relés: Proporciona senyals de tensió fiables als relés de protecció per a funcions de sobretensió, subtensió i altres proteccions. Quan es produeixen condicions anormals de tensió, el sistema de protecció respon ràpidament, activant una ordre de desconnectar per aïllar el circuit defectuós i assegurar la seguretat del sistema i dels equips.
• Contabilització d'energia i facturació: Treballa conjuntament amb els contadors d'energia per mesurar amb precisió el consum d'energia en circuits de alta tensió. Serveix com a base crítica per a la facturació de l'empresa i el règim d'energia.

3. Característiques

• Alta precisió: Els transformadors de tensió de mesura tenen classes d'alta precisió (per exemple, 0,2, 0,5) per assegurar una mesura precisa de la tensió i la contabilització d'energia. Els VT de protecció prioritzen la resposta ràpida i tenen classes de precisió relativament més baixes (per exemple, 3P, 6P).
• Requisits d'aïllament elevats: Els VT de alta tensió han de suportar tensions d'operació elevades i sovint utilitzen aïllaments immersos en oli, gas SF₆ o resina sòlida per a un rendiment estable i fiable. Els VT de baixa tensió són principalment de tipus sec, amb una estructura simple i manteniment fàcil.
• El costat secundari no ha de ser curtcircuïtat: Una curtcircuïtat al costat secundari pot generar corrents extremadament altes, que podrien superescalfar i destruir les bobines. Per tant, el circuit secundari ha de ser protegit amb fusibles o disjuntores miniatures.

4. Escenaris d'aplicació

• Aplicacions de alta tensió: Adecuat per a línies de transmissió i subestacions amb tensions de 1 kV i superior (per exemple, sistemes de 10 kV, 35 kV, 110 kV). Utilitzat per a monitoritzar les tensions de barra o línia i proporcionar entrada als sistemes de protecció, assegurant una operació segura i estable de la xarxa.
• Aplicacions de baixa tensió: Aplicable a sistemes de distribució inferiors a 1 kV (per exemple, circuits residencials de 220V, sistemes industrials de 380V). Comunament instal·lat en quadres de baixa tensió per a la monitorització de la tensió del costumari o per a l'interfície amb comptadors d'energia per a la mesura de potència.

II. Transformador de corrent (CT)

Un transformador de corrent (CT), també conegut com a transductor de corrent, és un transformador de mesura que, en condicions normals d'operació, produeix una corrent secundària substancialment proporcional a la corrent primària, amb una diferència de fase que tendeix a zero quan està connectat correctament.

1. Principi de funcionament

El transformador de corrent opera segons el principi de la inducció electromagnètica i té una estructura similar a la d'un transformador convencional, consistint en una bobina primària, una bobina secundària i un nucli magnètic. La bobina primària es connecta en sèrie amb el circuit que es mesura i té molt pocs voltants (algunes vegades només un voltant), portant la corrent primària alta.

La bobina secundària, amb molts més voltants, es connecta en sèrie a instruments de mesura, relés de protecció i altres càrregues, formant un circuit tancat. En condicions normals d'operació, el costat secundari està aproximadament en un estat de curtcircuïtat. Segons la inducció electromagnètica, la raó entre la corrent primària i la secundària és inversament proporcional a la raó de voltants (I₁/I₂ = N₂/N₁). Això permet reduir proporcionalment grans corrents a corrents de baix nivell estandarditzades (normalment 5A o 1A), facilitant la mesura, la monitorització i la protecció.

El seu símbol elèctric és el següent:

La raó entre la corrent nominal primària i secundària d'un transformador de corrent s'anomena raó de transformació de corrent (Ke). L'expressió de la raó de transformació de corrent és:

Nota:

• W₁, W₂ són el nombre de voltants en les bobines primària i secundària del transformador, respectivament;
• I₁ₑ, I₂ₑ són les corrents nominals de les bobines primària i secundària, respectivament;
• I₁, I₂ són les corrents reals en les bobines primària i secundària, respectivament.

2. Funcions

• Mesura de corrent: Redueix les corrents primàries altes a corrents secundàries estandarditzades de baix nivell (per exemple, 5A o 1A), permetent que ammetres, contadors d'energia i altres instruments monitorin la corrent de càrrega en temps real.
• Protecció de relés: Proporciona senyals de corrent als relés de protecció per a funcions de sobrecorrent, diferencial i distància. Quan es produeixen faults com curtcircuïts o sobrecàrregues, el sistema de protecció activa un senyal de desconnectar per aïllar l'abast d'energia, prevenint danys a l'equipament i la inestabilitat del sistema.
• Aïllament elèctric: Proporciona aïllament gavanic entre el circuit primàri de alta tensió/alta corrent i els circuits secundaris de baixa tensió utilitzats per a mesura, control i protecció. Això assegura la seguretat del personal i dels equips secundaris.

3. Característiques

• Alta fiabilitat: Ha de resistir grans tensions mecàniques i tèrmiques durant els esdeveniments de curtcircuït. Els CT són dissenyats amb excel·lents estabilitats dinàmica i tèrmica per a romandre íntegres en condicions extrems de fault.
• Disseny de múltiples bobines: Els CT de alta tensió sovint tenen múltiples bobines secundàries - una per a la mesura (alta precisió, per exemple, classe 0,5) i una altra per a la protecció (ampli rang i resposta ràpida, per exemple, classe 5P o 10P). Els CT de baixa tensió normalment tenen una o dues bobines per a satisfer les necessitats bàsiques d'aplicació.
• El costat secundari no ha de ser obert: Un circuit obert al costat secundari pot induir tensions extremadament altes (fins a diversos kV) a través de la bobina, posant greus riscos de trencament d'aïllament, danys a l'equipament i electrocussió. Per tant, el circuit secundari ha de romandre tancat durant l'operació - obrir-lo està estrictament prohibit.

4. Escenaris d'aplicació

• Aplicacions de alta tensió: Utilitzat en línies de transmissió i subestacions amb tensions de 1 kV i superior (per exemple, sistemes de 10 kV, 35 kV, 110 kV). Ampliament aplicat en la monitorització de corrent i la protecció d'equips crítics com transformadors, interruptors i barras, jugant un paper vital en assegurar la fiabilitat i la seguretat de la xarxa.
• Aplicacions de baixa tensió: Aplicat en sistemes de distribució inferiors a 1 kV (per exemple, tallers industrials, edificis comercials, complexos residencials). Normalment instal·lat en quadres de baixa tensió o panells de distribució per a la monitorització de circuits de branques, la mesura d'energia o la integració amb dispositius de corrent residual (RCD) i comptadors intel·ligents per a la gestió segura i eficient de l'ús de l'energia.