Transformadores de corriente

La energía eléctrica generada en una central eléctrica se transfiere a través de las líneas eléctricas y los sistemas de distribución para ser consumida a través de aplicaciones residenciales. Los niveles de corriente deben medirse durante la producción y la distribución para garantizar que se transfieren los valores óptimos en varios puntos a lo largo del sistema de distribución de energía. Esta corriente suele ser muy alta, lo que no puede medirse con un amperímetro convencional. Los transformadores especializados, conocidos como transformadores de medida, miden tensiones y corrientes muy elevadas a lo largo de la red eléctrica. El transformador de medida utilizado para medir valores altos de corriente se llama transformador de corriente, y el utilizado para medir una tensión alta se llama transformador de tensión. En este artículo se explica el principio de construcción y funcionamiento, los tipos y las aplicaciones de los transformadores de corriente.

Índice de contenidos

• Qué es un transformador de corriente
• Construcción y funcionamiento del transformador de corriente
• Tipos de transformadores de corriente
• Funcionamiento de los transformadores de corriente
• Por qué no se debe mantener abierto un transformador de corriente
• Diferencia entre transformador de corriente y transformador de tensión
• Ventajas e inconvenientes de los transformadores de corriente
• Aplicaciones de los transformadores de corriente
• FAQs

Qué es un transformador de corriente

Un transformador de corriente es un transformador de medida que reduce las altas corrientes alternas en el devanado primario a un valor bajo en el devanado secundario. Se utiliza principalmente cuando una corriente es demasiado alta para medirla directamente. Por lo tanto, proporcionan una forma conveniente de controlar con seguridad la corriente alterna real de alto valor que fluye a través de una línea de transmisión.

Los transformadores de corriente tienen dos funciones básicas:

1. Adaptación del valor de corriente de media tensión en el devanado primario a un valor de corriente bajo en el devanado secundario, adecuado para dispositivos de medición comerciales y otras aplicaciones residenciales.
2. Aislar los circuitos electrónicos de potencia de los circuitos de medición o protección. Un transformador de corriente actúa como dispositivo intermedio entre los distintos circuitos electrónicos y los equipos de medición. Los transformadores de corriente proporcionan aislamiento de las altas tensiones y corrientes del circuito eléctrico. Estos transformadores proporcionan una corriente secundaria en el rango de 0-5A que se conecta a los dispositivos de medición.

Construcción y funcionamiento del transformador de corriente

La construcción de un transformador de corriente es similar a la de un transformador convencional. El transformador es fundamentalmente un transformador reductor (con respecto a la corriente), compuesto por devanados primarios y secundarios sin ninguna conexión eléctrica entre ellos. El número de vueltas y las corrientes en los devanados primario y secundario de un transformador se relacionan como:

N1 / N2 = I2 / I1

• N1: Número de vueltas del devanado primario
• N2: Número de vueltas del devanado secundario
• I2: Corriente que circula por el devanado secundario
• I1: Corriente que circula por el devanado primario

Para reducir la corriente a un valor muy bajo, el número de espiras del secundario debe ser mayor que el del primario (N2>N1). Por lo tanto, la sección primaria de un transformador de corriente se enrolla con unas cuantas vueltas de un conductor de sección gruesa en el devanado. La sección secundaria se enrolla con un mayor número de vueltas de conductor con una sección transversal pequeña.

El devanado primario (figura 4, denominada A) y el devanado secundario (figura 4, denominada C) se enrollan en un núcleo magnético formado por láminas de acero al silicio (figura 4, denominada B). Según la ley de inducción de Faraday, la corriente que circula por el devanado primario induce un campo magnético en el devanado. Una parte de este campo magnético enlaza con el devanado secundario, iniciando así un flujo de corriente en la bobina secundaria. El núcleo magnético proporciona una vía de baja reluctancia para el flujo del campo magnético creado.

Un transformador de corriente utilizado en un pequeño sistema de tensión de línea suele utilizar cinta o barniz como material aislante. En cambio, los transformadores de corriente sumergidos en aceite se utilizan en un sistema de alta tensión.

La línea que transporta la corriente (Figura 5 denominada C) suministra corriente a la carga (Figura 5 denominada B). El lado primario del transformador de corriente (Figura 5 etiquetado como CT) está conectado en serie con la línea de alta corriente. El lado secundario del transformador está conectado a un amperímetro de bajo rango (rango 0-5A) que lee la corriente que circula por los devanados secundarios.

Tipos de transformadores de corriente

En función de su construcción, existen dos tipos de transformadores de corriente: los de tipo bobinado y los de tipo barra.

Transformadores de corriente de tipo bobinado

En un transformador de corriente bobinado, tanto las bobinas primarias como las secundarias están bobinadas en un núcleo. El núcleo puede tener forma de rectángulo o anillo de acero o aleación de níquel. En la figura 4 se muestra un núcleo en forma de rectángulo. En los transformadores de núcleo anular, la bobina de la sección secundaria (figura 6, denominada C) se enrolla en un núcleo ferromagnético (figura 6, denominada A). La bobina de la sección primaria (Figura 6 etiquetada como B) se enrolla en el núcleo exterior con un aislamiento adecuado entre ambos devanados. Los transformadores de corriente de tipo bobinado son más baratos que los de barra, pero no son tan precisos.

Transformador de corriente de barra

Un transformador de corriente de barra no tiene devanado primario. El lado primario está formado por un conductor tipo barra (Figura 7 etiquetada C). La parte secundaria está formada por devanados enrollados en un núcleo circular que rodea al conductor primario de barra (Figura 7 etiquetada B). Se mantiene un aislante de papel en la barra entre las secciones primaria y secundaria. Los segmentos primario y secundario están estrechamente empaquetados, y la distancia entre ellos se mantiene pequeña para reducir las fugas de flujo, lo que permite realizar mediciones muy precisas. Un transformador de corriente de barra puede soportar las tensiones de una fuerte sobrecorriente. Este tipo de transformador suele encontrarse en instalaciones donde la tensión es de 25kV o menos. Los transformadores de barra son más caros que los de bobina, pero ofrecen resultados muy precisos gracias a la reducción de las fugas de flujo.

Funcionamiento de los transformadores de corriente

El funcionamiento de un transformador de corriente es similar al de un transformador convencional de dos devanados. Para medir altas corrientes se utiliza un transformador de corriente. Cuando la corriente elevada circula por el devanado primario del transformador de corriente, induce una pequeña corriente por el secundario en función del número de vueltas de ambos devanados. Un amperímetro de bajo rango conectado a través del secundario puede medir la corriente que circula por el devanado secundario.

En un transformador:

N1 / N2 = V1 / V2 = I2 / I1

• N1: Número de vueltas del devanado primario
• N2: Número de vueltas del devanado secundario
• V1: Tensión en el devanado primario
• V2: Tensión en el devanado secundario
• I2: Corriente que circula por el devanado secundario
• I1: Corriente que circula por el devanado primario

Por lo tanto, conociendo el número de vueltas en los devanados primario y secundario, junto con el valor de la corriente secundaria medida con un amperímetro, se puede utilizar para determinar la corriente de alto valor que fluye a través del devanado primario.

Ejemplo

Consideremos un transformador de corriente con una relación de vueltas (N2/N1) de 300:1. Si el amperímetro marca 1A en el secundario del transformador:

• N1 = 1
• N2 = 300
• I2 = 1A
• Por tanto, I1= (1/ 300) ✕ 1 = 300A

Además, hay que tener en cuenta que, dado que la tensión en el primario o en el secundario es directamente proporcional al número de vueltas, la tensión inducida en el devanado secundario es 300 veces superior a la del primario. Por lo tanto, un transformador de corriente actúa como un transformador elevador con respecto a la tensión.

Por qué no se debe mantener abierto un transformador de corriente

En un circuito magnético, la fuerza magnetomotriz (FMM) es la fuerza responsable de la generación y el movimiento del flujo magnético. Cuando la corriente fluye por los devanados primarios, la FMM creada en el lado primario es N1 ✕ I1 (amperios-vuelta).

El MMF producido en el lado primario conduce a la producción de flujo magnético que fluye a través del núcleo, produciendo MMF y producción de flujo magnético en el secundario. El MMF del lado secundario suele estar equilibrado por el MMF del lado primario. Cuando se conecta una carga al devanado secundario, la corriente comienza a fluir en el devanado, generando su propio flujo magnético, que enlaza con el devanado primario. Por ejemplo, la corriente que circula por el devanado secundario aumenta si se reduce la carga conectada al secundario. Esto aumenta el flujo en el lado secundario, aumentando así el flujo neto en el lado primario a través de la inducción mutua. Por lo tanto, el flujo magnético en los lados primario y secundario sigue siendo el mismo.

Si el lado secundario de un transformador de corriente se deja abierto, la corriente que pasa por los devanados secundarios se hace nula; por lo tanto, la FMM producida en el secundario, que generalmente equilibra la FMM producida en el devanado primario, se hace nula. Como no hay un MMF de contador, el MMF primario sin oposición produce un flujo muy alto dentro del núcleo que lleva a:

• Pérdidas excesivas en el núcleo. La pérdida del núcleo es la pérdida de energía dentro del núcleo causada por un flujo magnético alterno. Un campo magnético inestable acaba destruyendo el funcionamiento del material del núcleo.
• Calentar la bobina más allá de su límite
• Daños en el aislamiento del bobinado

Además, la gran tensión secundaria puede suponer un riesgo para la seguridad de los operarios. Por ello, es una práctica habitual conectar a tierra el lado secundario para evitar el peligro de electrocución del operario.

Diferencia entre transformador de corriente y transformador de tensión

Los transformadores de corriente y los transformadores de tensión son herramientas seguras para medir corrientes y tensiones de alto valor con extrema precisión. La diferencia entre los transformadores de corriente y los transformadores de tensión figura en el cuadro 1.

Base de comparación	Transformador Corriente	Transformador de tensión
Definición	Transforma una corriente de entrada alta en una corriente de salida baja	Transforma la alta tensión de entrada en una baja tensión de salida
Conexión	Conectado en serie con el instrumento	Conectado en paralelo con el instrumento
Giros primarios y secundarios	Pequeño número de vueltas del primario comparado con el del bobinado secundario	Gran número de vueltas en el primario en comparación con el devanado secundario
Construcción del núcleo	Laminado de acero al silicio	Acero de alta calidad que funciona con bajas densidades de flujo
Corriente/tensión de línea completa	El devanado primario contiene la corriente de línea completa	El devanado primario contiene la tensión de línea completa
Tipos	Tipo de herida y tipo de barra	Tipos de potencial electromagnético y capacitivo
Circuito abierto en el secundario	El devanado secundario de un transformador de corriente no puede dejarse abierto.	El devanado secundario de un transformador de potencial puede dejarse abierto.
Aplicaciones	Medición de la corriente y funcionamiento del relé de protección en la subestación	Medición de la tensión y funcionamiento del relé de protección en la subestación

Tabla 1: Diferencia entre transformador de corriente y transformador de tensión

Ventajas e inconvenientes de los transformadores de corriente

Ventajas

• Las grandes corrientes pueden medirse con seguridad.
• Aísla la línea de alta corriente de los dispositivos de medición (como el voltímetro y el amperímetro).
• Actúa como dispositivo de control para accionar los dispositivos de protección, como las luces piloto y los relés.
• Un solo transformador de corriente puede alimentar a numerosos instrumentos.

Desventajas

• Mide sólo la corriente alterna.

Aplicaciones de los transformadores de corriente

1. Medición de la corriente en aplicaciones de medición de ingresos comerciales.
2. Dispositivo de protección en líneas de alta tensión y subestaciones eléctricas.
3. Aplicaciones de los convertidores de corriente en subestaciones y filtros AC-DC.
4. Se utiliza como módulo de protección integrado en las baterías capacitivas.
5. Se utiliza en herramientas manuales como pinzas amperimétricas para medir la corriente.

FAQs

¿Para qué sirve un transformador de corriente?

Un transformador de corriente se utiliza para medir la alta corriente que pasa por una línea, y también como dispositivo de aislamiento entre los circuitos de potencia y los dispositivos de medición.

¿Cuál es la diferencia entre un transformador de tensión y un transformador de corriente?

Un transformador de tensión mide una alta tensión y se conecta en paralelo a la línea. Un transformador de corriente mide una corriente elevada y se conecta en serie con la línea a medir.

¿Por qué el transformador de corriente se denomina transformador elevador?

Un transformador de corriente convierte una corriente alta en el lado primario en una corriente baja en el devanado secundario. El transformador aumenta la tensión en el secundario reduciendo la corriente en los devanados secundarios.