Los dos tipos principales de transformadores de instrumentos en un sistema de energía.

I. Transformador de Voltaje (VT)

El transformador de voltaje (también conocido como transformador de tensión, abreviado como PT; transformador de voltaje, abreviado como VT) es un dispositivo eléctrico utilizado para transformar los niveles de voltaje en circuitos de potencia.

1. Principio de Funcionamiento

El transformador de voltaje funciona según el principio de la inducción electromagnética y tiene una estructura similar a la de un transformador convencional, compuesta principalmente por un devanado primario, un devanado secundario y un núcleo. El devanado primario se conecta en paralelo al circuito de alta tensión que se está midiendo y tiene un gran número de espiras.

El devanado secundario, con menos espiras, se conecta a instrumentos de medición, relés de protección y otras cargas. En condiciones normales de funcionamiento, el lado secundario está aproximadamente en estado de circuito abierto. Según la ley de la inducción electromagnética, la relación entre el voltaje primario y secundario es igual a la relación de espiras (U₁/U₂ = N₁/N₂). Esto permite que la alta tensión se reduzca proporcionalmente a una tensión baja estandarizada (generalmente 100V o 100/√3 V), lo que la hace segura y adecuada para dispositivos de medición y protección.

Su símbolo eléctrico es el siguiente:

2. Funciones

• Medición de Voltaje: Reduce las altas tensiones del sistema a tensiones bajas estandarizadas (por ejemplo, 100V o 100/√3 V) para su uso por voltmetros, contadores de energía y otros instrumentos de medición, permitiendo la monitorización en tiempo real de la tensión del sistema de potencia.
• Protección por Relé: Proporciona señales de voltaje confiables a los relés de protección para funciones de sobretensión, subtensión y otras protecciones. Cuando ocurren condiciones de tensión anormales, el sistema de protección responde rápidamente, desencadenando una orden de desconexión para aislar el circuito defectuoso y garantizar la seguridad del sistema y el equipo.
• Medición de Energía y Facturación: Trabaja en conjunto con los contadores de energía para medir con precisión el consumo de potencia en circuitos de alta tensión. Sirve como base crítica para la facturación de servicios públicos y la liquidación de energía.

3. Características

• Alta Precisión: Los transformadores de voltaje de grado de medición tienen clases de precisión altas (por ejemplo, 0.2, 0.5) para asegurar una medición de voltaje y energía precisa. Los VT de grado de protección priorizan la rápida respuesta y tienen clases de precisión relativamente más bajas (por ejemplo, 3P, 6P).
• Requisitos de Aislamiento Altos: Los VT de alta tensión deben soportar altas tensiones de operación y generalmente utilizan aislamiento de aceite, gas SF₆ o resina sólida para un rendimiento estable y confiable. Los VT de baja tensión son en su mayoría de tipo seco, con una estructura simple y fácil mantenimiento.
• El Lado Secundario No Debe Cortocircuitarse: Un cortocircuito en el lado secundario puede generar corrientes extremadamente altas, potencialmente sobrecalentando y destruyendo los devanados. Por lo tanto, el circuito secundario debe estar protegido por fusibles o interruptores automáticos de pequeño tamaño.

4. Escenarios de Aplicación

• Aplicaciones de Alta Tensión: Adecuado para líneas de transmisión y subestaciones con tensiones de 1 kV y superiores (por ejemplo, sistemas de 10 kV, 35 kV, 110 kV). Se utiliza para monitorear las tensiones de barras o líneas y proporcionar entrada a los sistemas de protección, asegurando la operación segura y estable de la red.
• Aplicaciones de Baja Tensión: Aplicable a sistemas de distribución por debajo de 1 kV (por ejemplo, circuitos residenciales de 220V, sistemas industriales de 380V). Comúnmente instalado en armarios de baja tensión para monitorear la tensión del lado del consumidor o interfaz con contadores de energía para la medición de potencia.

II. Transformador de Corriente (CT)

Un transformador de corriente (CT), también conocido como transductor de corriente, es un transformador de instrumentos que, bajo condiciones normales de operación, produce una corriente secundaria sustancialmente proporcional a la corriente primaria, con una diferencia de fase que se aproxima a cero cuando se conecta correctamente.

1. Principio de Funcionamiento

El transformador de corriente funciona según el principio de la inducción electromagnética y tiene una estructura similar a la de un transformador convencional, compuesta por un devanado primario, un devanado secundario y un núcleo magnético. El devanado primario se conecta en serie con el circuito que se está midiendo y tiene muy pocas espiras (a veces solo una espira), llevando la alta corriente primaria.

El devanado secundario, con muchas más espiras, se conecta en serie a instrumentos de medición, relés de protección y otras cargas, formando un circuito cerrado. En condiciones normales de operación, el lado secundario está aproximadamente en un estado de cortocircuito. Según la inducción electromagnética, la relación entre la corriente primaria y secundaria es inversamente proporcional a la relación de espiras (I₁/I₂ = N₂/N₁). Esto permite que las corrientes grandes se escalen proporcionalmente a corrientes de nivel bajo estandarizadas (generalmente 5A o 1A), facilitando la medición, monitoreo y protección.

Su símbolo eléctrico es el siguiente:

La relación entre la corriente nominal primaria y secundaria de un transformador de corriente se llama la razón de transformación de corriente (Ke). La expresión para la razón de transformación de corriente es:

Nota:

• W₁, W₂ son el número de espiras en los devanados primario y secundario del transformador, respectivamente;
• I₁ₑ, I₂ₑ son las corrientes nominales de los devanados primario y secundario, respectivamente;
• I₁, I₂ son las corrientes reales en los devanados primario y secundario, respectivamente.

2. Funciones

• Medición de Corriente: Reduce las altas corrientes primarias a corrientes secundarias estandarizadas de bajo nivel (por ejemplo, 5A o 1A), permitiendo que amperímetros, contadores de energía y otros instrumentos monitoreen la corriente de carga en tiempo real.
• Protección por Relé: Suministra señales de corriente a los relés de protección para protecciones de sobrecorriente, diferencial y distancia. Cuando ocurren fallas como cortocircuitos o sobrecargas, el sistema de protección desencadena una señal de desconexión para interrumpir el suministro de energía, evitando daños al equipo y la inestabilidad del sistema.
• Aislamiento Eléctrico: Proporciona aislamiento galvánico entre el circuito primario de alta tensión/alta corriente y los circuitos secundarios de baja tensión utilizados para medición, control y protección. Esto asegura la seguridad del personal y del equipo secundario.

3. Características

• Alta Fiabilidad: Debe soportar altas tensiones mecánicas y térmicas durante eventos de cortocircuito. Los CT están diseñados con excelente estabilidad dinámica y térmica para mantenerse intactos bajo condiciones de fallo extremas.
• Diseño con Múltiples Devanados: Los CT de alta tensión a menudo tienen múltiples devanados secundarios: uno para medición (alta precisión, por ejemplo, clase 0.5) y otro para protección (amplio rango y rápida respuesta, por ejemplo, clase 5P o 10P). Los CT de baja tensión generalmente tienen un solo devanado o doble devanado para satisfacer necesidades básicas de aplicación.
• El Lado Secundario No Debe Circuito Abierto: Un circuito abierto en el lado secundario puede inducir tensiones extremadamente altas (hasta varios kV) a través del devanado, planteando riesgos graves de ruptura de aislamiento, daño al equipo y descargas eléctricas. Por lo tanto, el circuito secundario debe permanecer cerrado durante la operación; abrirlo está estrictamente prohibido.

4. Escenarios de Aplicación

• Aplicaciones de Alta Tensión: Utilizado en líneas de transmisión y subestaciones con tensiones de 1 kV y superiores (por ejemplo, sistemas de 10 kV, 35 kV, 110 kV). Ampliamente aplicado en el monitoreo de corriente y protección de equipos críticos como transformadores, interruptores y barras, desempeñando un papel vital en la garantía de la confiabilidad y seguridad de la red.
• Aplicaciones de Baja Tensión: Aplicado en sistemas de distribución por debajo de 1 kV (por ejemplo, talleres industriales, edificios comerciales, complejos residenciales). Generalmente instalado en tableros de baja tensión o paneles de distribución para el monitoreo de circuitos de ramal, medición de energía o integración con dispositivos de corriente residual (RCD) y contadores inteligentes para permitir la gestión segura y eficiente del uso de energía.