Principio de funcionamiento del transformador de instrumentos combinado

En los sistemas eléctricos modernos, la medición precisa de la corriente y la tensión es esencial para la medición, la protección, el monitoreo y el control. Sin embargo, la corriente y la tensión en las redes de transmisión y distribución suelen ser demasiado elevadas para conectarse directamente a instrumentos de medición convencionales, relés de protección o equipos de monitoreo. Por lo tanto, se utilizan transformadores de medida para convertir de forma segura altas magnitudes eléctricas en señales estandarizadas y medibles.

Los dos tipos más comunes de transformadores de medida son los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de tensión (TT). Un TC convierte una corriente primaria elevada en una corriente secundaria menor, mientras que un TT reduce una tensión de sistema elevada a una tensión secundaria estandarizada. Estas señales reducidas se pueden suministrar a contadores, relés, sistemas de monitorización y otros equipos eléctricos.

Un transformador de instrumentos combinado integra las funciones de transformador de corriente y transformador de tensión en una sola unidad física. En lugar de instalar transformadores de corriente y de tensión por separado, una unidad combinada puede proporcionar señales de medición de corriente y tensión desde un único dispositivo compacto.

Comprender el principio de funcionamiento del transformador de instrumentos combinado es importante para los ingenieros y los profesionales de sistemas eléctricos, ya que explica cómo se pueden medir la corriente y el voltaje simultáneamente, manteniendo el aislamiento eléctrico y la precisión de la medición.

1. ¿Qué es un transformador de instrumentos combinado?

Un transformador de instrumentos combinado es un dispositivo de medición eléctrica que integra un transformador de corriente y un transformador de tensión en una sola unidad. Está diseñado para proporcionar señales de corriente y tensión para aplicaciones de medición, medición y protección.

En una instalación eléctrica convencional, los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de tensión (TT) pueden instalarse por separado. El TC se conecta en serie con el circuito primario para medir la corriente, mientras que el TT se conecta entre el circuito de alta tensión y tierra o entre fases para medir la tensión. Un transformador de medida combinado realiza ambas funciones dentro de la misma carcasa y sistema de aislamiento.

2Componentes principales de un transformador de instrumentos combinado

Si bien el diseño exacto depende del fabricante y la aplicación, un transformador de instrumentos combinado generalmente consta de varios componentes clave.

Sección del transformador de corriente

La sección de transformadores de corriente (TC) se encarga de medir la corriente que fluye a través del circuito de alimentación primario.

Conductor principal:

El conductor primario transporta la corriente real del sistema. Según el diseño, puede ser un conductor que atraviesa el núcleo magnético o un devanado primario integrado.

Núcleo magnético:

El núcleo magnético proporciona la trayectoria magnética necesaria para el funcionamiento del transformador. Está diseñado de acuerdo con los requisitos de medición o protección del transformador de corriente y desempeña un papel importante en la determinación de la precisión y las características de saturación.

Bobinado secundario:

El devanado secundario produce una corriente reducida proporcional a la corriente primaria. Las corrientes estándar del devanado secundario suelen ser de 1 A o 5 A, según los requisitos del equipo de medición o protección conectado.

Sección del transformador de tensión

La sección VT es responsable de reducir la tensión del sistema a un nivel seguro y estandarizado.

Bobinado primario:

El devanado primario está conectado al sistema de alta tensión. Está diseñado con un aislamiento adecuado para soportar la tensión del sistema y las tensiones eléctricas transitorias.

Bobinado secundario:

El devanado secundario proporciona un voltaje menor para medidores, relés, equipos de monitoreo y sistemas de control. Los voltajes secundarios comunes son de 100 V y 110 V, aunque pueden existir otros valores según las normas regionales y los requisitos de la aplicación.

Sistema de aislamiento

Dado que el transformador puede instalarse en sistemas de media o alta tensión, el aislamiento es un aspecto fundamental del diseño. El sistema de aislamiento separa los componentes de alta tensión de las estructuras conectadas a tierra y de los circuitos secundarios de baja tensión.

Dependiendo de la aplicación, el aislamiento puede incluir materiales como resina epoxi, aceite, papel, porcelana, materiales compuestos u otros sistemas aislantes especializados.

Componentes compartidos

Un transformador de instrumentos combinado también incluye componentes que dan soporte tanto a la sección de transformador de corriente (TC) como a la de transformador de tensión (TT).

Carcasa y cerramiento:

La carcasa protege los componentes internos de daños mecánicos y de las inclemencias ambientales.

Estructura de montaje:

La estructura de montaje proporciona soporte mecánico y permite instalar el transformador de forma segura en subestaciones, cuadros eléctricos u otros equipos eléctricos.

Caja de terminales:

La caja de bornes proporciona conexiones entre los circuitos secundarios del transformador y los equipos externos de medición, protección o monitorización. La correcta identificación y cableado de los bornes es fundamental para garantizar la polaridad, las relaciones de fase y el correcto funcionamiento del sistema.

3. Principio de funcionamiento del transformador de instrumentos combinado

El principio de funcionamiento del transformador de medida combinado se basa en la inducción electromagnética. Sin embargo, las secciones de transformador de corriente (TC) y de tensión (TT) realizan funciones eléctricas diferentes y funcionan mediante distintos métodos de conexión.

Principio de medición de corriente

La sección CT mide la corriente basándose en el principio del transformador.

Cuando la corriente fluye a través del conductor primario, produce un campo magnético alrededor del conductor. Este flujo magnético atraviesa el núcleo magnético del transformador de corriente e induce una corriente en el devanado secundario.

La relación entre la corriente primaria y la secundaria está determinada aproximadamente por la relación de espiras:

Ip / Is ≈ Ns / Np

dónde:

• Ip = corriente primaria
• Is = corriente secundaria
• Np = número de giros primarios
• Ns = número de giros secundarios

Por ejemplo, si un transformador de corriente tiene una relación de 1000/5 A, una corriente primaria de 1000 A corresponde aproximadamente a una corriente secundaria de 5 A en condiciones nominales.

La corriente secundaria es mucho menor y puede conectarse de forma segura a instrumentos de medición y relés de protección. Las salidas secundarias típicas de los transformadores de corriente son de 1 A o 5 A.

Es importante tener en cuenta que el circuito secundario de un transformador de corriente (TC) no debe dejarse abierto mientras circula corriente por el circuito primario. Un circuito secundario abierto puede generar tensiones peligrosamente altas. Por lo tanto, se requieren medidas de protección y cortocircuito adecuadas durante la instalación y el mantenimiento.

Principio de medición de voltaje

La sección VT también funciona según el principio del transformador, pero su propósito principal es reducir el voltaje en lugar de la corriente.

El devanado primario del transformador de tensión está conectado al sistema de alta tensión. La tensión primaria aplicada produce un flujo magnético en el núcleo del transformador, que induce una tensión proporcional en el devanado secundario.

La relación de voltaje aproximada es:

Vp / Vs ≈ Np / Ns

dónde:

• Vp = voltaje primario
• Vs = voltaje secundario
• Np = espiras del devanado primario
• Ns = vueltas del devanado secundario

Por ejemplo, un transformador de tensión (VT) diseñado para un sistema de alta tensión puede reducir una tensión primaria de varios kilovoltios a una tensión secundaria estandarizada, como 100 V o 110 V.

Esta señal de menor voltaje puede suministrarse a contadores de energía, equipos de monitorización de voltaje, relés de protección, sistemas de automatización y otros dispositivos de control.

Función de medición simultánea

La característica clave de un transformador de medida combinado es que las secciones de transformador de corriente (TC) y transformador de tensión (TT) pueden funcionar simultáneamente y de forma independiente dentro del mismo dispositivo integrado.

La sección CT proporciona una señal de corriente, mientras que la sección VT proporciona una señal de tensión. Estas señales pueden conectarse al mismo sistema de medición o protección.

Por ejemplo, un sistema de monitorización de potencia puede recibir las señales de corriente y tensión de un transformador de medida combinado. A continuación, el sistema puede utilizar estas mediciones para calcular parámetros eléctricos como la potencia, el factor de potencia, el consumo energético y la carga del sistema.

Las dos funciones de medición no implican que la corriente y el voltaje se combinen eléctricamente de forma directa. En cambio, se integran mecánica y estructuralmente en un único transformador de instrumentos, manteniendo el aislamiento eléctrico necesario entre los circuitos.

4Transformador de instrumentos combinado frente a transformador de corriente y transformador de tensión separados.

La elección entre un transformador de medida combinado y unidades separadas de transformador de corriente (TC) y transformador de tensión (TT) depende de la configuración del sistema, el nivel de tensión, el entorno de instalación, los requisitos de medición y la estrategia de mantenimiento.

Un diseño combinado suele ser atractivo cuando la compacidad y la integración son prioritarias. Sin embargo, los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de tensión (TT) separados pueden ser preferibles cuando el sistema requiere una configuración, un reemplazo, un mantenimiento o unas características de medición especializadas altamente independientes.

Por lo tanto, la selección no debe basarse únicamente en el tamaño físico. Los ingenieros deben evaluar la tensión nominal, la corriente nominal, la clase de precisión, la carga, el nivel de aislamiento, la frecuencia, las condiciones ambientales, los requisitos de protección y las normas técnicas aplicables.

Conclusión

El principio de funcionamiento del transformador de medida combinado se basa en la integración de dos funciones de medición esenciales: la transformación de corriente y la transformación de tensión. La sección de transformador de corriente (TC) utiliza la inducción electromagnética para convertir una corriente primaria elevada en una corriente secundaria estandarizada, típicamente de 1 A o 5 A. Al mismo tiempo, la sección de transformador de tensión (TT) reduce la alta tensión del sistema a una tensión secundaria estandarizada, generalmente de 100 V o 110 V.

Aunque las secciones de transformador de corriente (TC) y transformador de tensión (TT) realizan funciones eléctricas diferentes, pueden operar simultáneamente dentro del mismo conjunto de transformador integrado. Esto permite que los sistemas de potencia obtengan señales de corriente y tensión de un único dispositivo compacto para medición, protección, monitorización y control.

La selección del transformador de medida combinado adecuado requiere una cuidadosa consideración del sistema eléctrico y la aplicación. Antes de la selección, es necesario evaluar la tensión nominal, la corriente nominal, la relación de transformación, la clase de precisión, la carga, el rendimiento del aislamiento, las condiciones ambientales y los requisitos de protección.