Transformadores de Tensión
Figura 1: Transformadores de tensión
Un sistema de energía eléctrica es una red de componentes eléctricos utilizados para suministrar, transferir y consumir energía eléctrica. La energía se suministra a través de un mecanismo de generación como una central eléctrica, se transfiere a través de líneas de transmisión y sistemas de distribución, y se consume a través de aplicaciones residenciales. El nivel de tensión debe medirse para garantizar que se transfiere un valor óptimo en varios puntos del sistema de distribución de energía. Esta tensión suele ser muy alta, por lo que no se puede medir con un voltímetro convencional. Los transformadores especializados, conocidos como transformadores de medida, se utilizan para medir tensiones y corrientes muy elevadas a lo largo de la red eléctrica. Este artículo trata de la construcción, el principio de funcionamiento, la medición, los tipos y las aplicaciones de los transformadores de tensión.
Índice de contenidos
- Qué es un transformador de tensión
- Construcción
- Principio de trabajo
- Medición de la tensión mediante un transformador de tensión
- Tipos de transformadores de tensión
- Errores en los transformadores de tensión
- Ventajas e inconvenientes
- Aplicaciones
- FAQs
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Qué es un transformador de tensión
El transformador utilizado para medir la alta tensión se denomina transformador de tensión, también llamado comúnmente transformador de potencial, y el utilizado para medir la alta intensidad se denomina transformador de intensidad.
Una subestación eléctrica es una estación secundaria del sistema de generación, transmisión y distribución de electricidad en la que la tensión se transforma de un valor alto a uno bajo o inverso mediante transformadores. La energía eléctrica fluye a través de varias subestaciones entre las centrales eléctricas y el consumidor, y la tensión puede cambiar en varios pasos.
La tensión generada en una central eléctrica o subestación se transmite y alimenta a varias unidades industriales y zonas residenciales. Hay que asegurarse de que la tensión generada tiene un valor óptimo, y también de que la tensión recibida después de transmitir por varias líneas no ha sufrido grandes pérdidas. Por lo tanto, es esencial medir estas tensiones en varios puntos.
La medición de tensiones de alto nivel en centrales eléctricas y centros de carga no puede realizarse con voltímetros convencionales. Un transformador de potencial es un instrumento utilizado para medir altas tensiones en un sistema de transmisión o distribución. Es un transformador reductor que convierte una tensión de entrada en una tensión de salida más baja que puede medirse con un voltímetro.
Nota: Los términos transformador de tensión y transformador de potencial significan esencialmente lo mismo, y ambos términos se utilizan indistintamente a lo largo del artículo.
Construcción
La construcción de un transformador de tensión es similar a la de un transformador de potencia convencional con devanados primarios y secundarios. La tensión producida en el lado de la carga es proporcional al número de espiras del secundario con respecto al primario. La transformación de la tensión viene dada por:
V1 / V2 = N1 / N2
- V1: Tensión aplicada al devanado primario del transformador
- V2: Tensión producida en el secundario (carga) del transformador
- N1: Número de vueltas en el primario
- N2: Número de vueltas en el secundario
Por ejemplo, un transformador con N1=1, N2=10, que tiene una tensión en el devanado primario (V1) igual a 10, tendrá una tensión en el devanado secundario igual a 1V.
Figura 2: Construcción del transformador de potencial: bobinado de alta tensión (A), bobinado de baja tensión (B), casquillos de alta tensión (C), depósito lleno de aceite (D), aislamiento (E) y núcleo magnético (F).
Un transformador de tensión tiene un núcleo magnético (Figura 2 etiquetada F) similar al de un transformador de potencia convencional, pero con un núcleo de gran tamaño de láminas de silicio. El núcleo magnético puede ser de tipo carcasa o de tipo núcleo.
El lado secundario se bobina adyacente al núcleo, ya que es fácil aislar un bobinado de baja tensión (Figura 2 etiquetada B). El primario, que transporta alta tensión (figura 2, letra A), se enrolla sobre el secundario con cinta de papel o aislamiento de algodón (figura 2, letra E) entre ambos.
Los devanados están inmersos en un tanque lleno de aceite (Figura 2 etiquetada D) que proporciona un mejor aislamiento en los transformadores de alta tensión nominal (por encima de 7kV). Los terminales de alta tensión salen del depósito a través de casquillos rellenos de aceite (Figura 2 etiquetada C).
Principio de trabajo
Para medir tensiones elevadas se suele utilizar un transformador de potencial. El lado primario del transformador de potencial (figura 3, etiquetado como PT) se conecta a través de la línea de transmisión cuya tensión (132 kV en la figura 3) se va a medir. La línea de transmisión está conectada a una carga "A" que recibe energía eléctrica de la línea. El transformador de potencial se conecta siempre en paralelo a través de la línea. El lado secundario del transformador de potencial se conecta a un voltímetro estándar de bajo rango (Figura 3 etiquetado V). Un transformador de corriente se conecta siempre en serie con la línea cuya corriente se va a medir. Lea nuestro artículo para ver una comparación exhaustiva entre los transformadores de tensión y los transformadores de corriente.
Cuando se aplica tensión al devanado primario, se induce una tensión en los devanados secundarios. Esta tensión es inferior a la del devanado primario y es proporcional al número de devanados en el lado primario y secundario.
Figura 3: Funcionamiento de un transformador de potencial
Medición de la tensión mediante un transformador de tensión
- Conecte el lado primario del transformador de tensión a la línea de alta tensión que se va a medir.
- Conecte un voltímetro estándar (0-250V) a través del secundario del transformador de potencial.
- Observe el valor de la tensión en el secundario del transformador que aparece en el voltímetro.
Si la relación entre el número de devanados del primario y el secundario es de 1200:1, y el voltímetro mide 110V a través del secundario,
- V2=110V
- N1=1200
- N2=1
- Por lo tanto, V1=132 kV
Tipos de transformadores de tensión
Tipos de transformadores de tensión según su construcción
Existen dos tipos principales de transformadores de potencial en función de su construcción: de tipo bobinado y de tipo condensador de tensión.
Transformador de potencial de tipo bobinado
Los transformadores de potencial de tipo carcasa y núcleo se clasifican como de tipo bobinado. Los devanados primario y secundario se enrollan en los miembros del núcleo con un aislamiento adecuado. Para medir altas tensiones (normalmente superiores a 10 kV), la construcción se vuelve compleja debido a los problemas de aislamiento. Por ello, los transformadores de potencial capacitivos se utilizan para medir tensiones muy elevadas.
Transformador de potencial capacitivo
Figura 4: Conexión de un transformador de potencial capacitivo
Un transformador de potencial capacitivo utiliza un divisor capacitivo y un transformador auxiliar (Figura 4 etiquetada A). El divisor de condensadores elimina la necesidad de un transformador de alto potencial.
Se conecta una red divisora capacitiva (cuatro condensadores en la figura 4) a través de la alta tensión que se va a medir (figura 4 etiquetada B). Cuando se conecta a una tensión alterna, el condensador comienza a cargarse a la magnitud de la tensión. La tensión de entrada se divide entre los condensadores, reduciendo así la alta tensión de entrada a un valor bajo.
La baja tensión obtenida del divisor capacitivo se intensifica (Figura 4 etiquetada D) mediante un transformador auxiliar. La porción sombreada (Figura 4 etiquetada C) describe colectivamente un transformador de potencial capacitivo que comprende un condensador-divisor y un transformador auxiliar.
Tipos de transformadores de tensión en función de la tensión de funcionamiento
En función de la tensión del sistema utilizado, los transformadores de tensión se clasifican en
Transformadores de tensión de alta tensión
Los transformadores de potencial de alta tensión suelen trabajar con una tensión de entrada superior a 69kV. Estos dispositivos son adecuados para medir altas tensiones en las líneas eléctricas de distribución. No es económico utilizar un solo transformador para medir tensiones superiores a 500kV (ya que el tamaño del transformador se vuelve enorme), y en este caso, se conectan dos unidades de transformadores en cascada para producir la tensión necesaria.
La conexión en cascada es el proceso de conectar dos transformadores en serie. Por ejemplo, para reducir una alta tensión de 100 kV a 10V se necesita un transformador con una relación de vueltas (número de vueltas en el devanado secundario: número de vueltas en el devanado primario) de 1:10000, lo que hace que el transformador sea extremadamente voluminoso. Se pueden utilizar dos transformadores con una relación de vueltas de 1:100 para el mismo fin. El primer transformador reduce la tensión de entrada de 100 kV a 1 kV, que se introduce en el devanado primario del segundo transformador. El segundo transformador reduce la tensión de entrada de 1kV a 10V en su salida. Por tanto, los transformadores pueden conectarse en cascada para obtener la conversión de tensión exacta de un solo transformador, pero con un tamaño y unos problemas de construcción mucho menores.
Transformadores de tensión de media tensión
Según la norma IEEE, los niveles prácticos de tensión (tensión de entrada) en 5kV-35kV suelen denominarse de media tensión. Algunas líneas de distribución pueden superar los 35kV, y estas líneas se clasifican como de alta tensión.
Un transformador de distribución de media tensión se encarga de la transformación final de la tensión en un sistema de distribución de energía eléctrica después de reducir la tensión de la línea de distribución a un nivel adecuado para el uso de los consumidores. Estos transformadores son ideales para aplicaciones de interior y exterior, según el nivel de la gama de tensión de entrada (véase la tabla 1).
Nota:La tensión del sistema que se indica en la tabla 1 para los distintos tipos de transformadores de tensión es meramente informativa, y estos valores pueden variar en función de las distintas normas utilizadas, como IEEE, IEC y ANSI.
Transformadores de baja tensión
Un transformador de baja tensión funciona con una tensión de entrada inferior a 600 V. Este transformador se utiliza con equipos de medición o supervisión o como fuente de energía auxiliar en el panel de control del motor.
Figura 5: Tipos de transformadores de tensión, A: Transformador de tensión de alta tensión, B: transformador de tensión de media tensión, y C: transformador de tensión de baja tensión.
Tabla 1: Diferencia entre transformadores de baja tensión, media tensión y alta tensión
| Tipo de transformador | Construcción | Tipo de aislamiento | Tensión del sistema | Aplicaciones de interior/exterior |
| Baja tensión | Monofásico, trifásico | Yeso de resina, cinta adhesiva | 440V | Interior |
| Media tensión | Monopolar trifásico, bipolar trifásico | Fundición de resina | 3.3 kV-33kV | Interior y exterior |
| Media tensión | Tipo monofásico con conexión a tierra | Sumergido en aceite | 3.3kV-33kV | Outdoor |
| Alta tensión | Tipo monofásico con conexión a tierra | Sumergido en aceite | 66kV y superior | Outdoor |
Tipos de transformadores de tensión según su función
Los transformadores de tensión se clasifican en tipos de medición y protección según su función.
Transformadores de tensión tipo medidor
Los transformadores de tensión del tipo de medición son transformadores de baja potencia con alta precisión utilizados para la medición de la tensión en los dispositivos de medición.
Transformadores de tensión de protección
Los transformadores de potencial de tipo protección se utilizan para proporcionar aislamiento y protección frente a las altas tensiones durante las mediciones. Los devanados de estos transformadores están aislados eléctricamente y el lado de baja tensión no está conectado directamente al lado de alta tensión.
Errores en los transformadores de tensión
En un transformador convencional, la tensión de salida en el devanado secundario es exactamente proporcional a la tensión en el transformador secundario. Sin embargo, en los transformadores de tensión, la tensión cae debido a la reactancia y la resistencia en los devanados primario y secundario. Existen dos tipos de errores: los errores de desplazamiento de fase y los errores de relación de tensión presentes en la tensión de salida de un transformador de tensión.
Error de desplazamiento de fase
El error de desfase es la diferencia entre la fase de la tensión primaria y la tensión secundaria invertida. Lo ideal es que la tensión primaria permanezca en fase con la tensión secundaria invertida. Pero en la práctica, la reactancia de los devanados desplaza la fase de la tensión secundaria creando un error de ángulo de fase.
Error de relación de tensiones
El error de relación de tensiones es la diferencia entre la tensión ideal que debe obtenerse y la tensión real obtenida en los devanados secundarios. El porcentaje de error de la relación de tensiones viene dado por:
{(V1 – Kn V2) / V1} ✕100
- V1: Tensión primaria
- V2: Tensión secundaria
- Kn : Relación nominal (Relación nominal)
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- Mide con seguridad tensiones muy altas en las líneas de transmisión.
- Permite que un voltímetro ordinario mida tensiones muy altas.
- Proporciona protección al aislar eléctricamente el voltímetro y la línea de alta tensión.
Desventajas
- Un transformador de tensión no puede medir la tensión continua.
- Los transformadores de tensión son caros en comparación con los transformadores convencionales.
Aplicaciones
Los transformadores de tensión se utilizan habitualmente en:
- Circuitos de relés y contadores
- Sistemas de protección eléctrica
- Medición de líneas de transmisión de alta tensión
- Sincronización de los generadores de energía y los alimentadores (los alimentadores son la línea de energía a través de la cual se transmite la electricidad en los sistemas de energía)
FAQs
¿Para qué sirve un transformador de tensión?
Un transformador de tensión se utiliza para medir las líneas de transmisión de alta tensión y proporcionar aislamiento en los sistemas de medición comerciales.
¿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 estallan los transformadores de potencial?
Cuando una gran corriente entra en los devanados del transformador, la sobretensión repentina puede provocar una explosión del transformador. Los transformadores están programados para apagarse en caso de picos, pero pueden tardar hasta 60 milisegundos en hacerlo.
¿Cómo elegir un transformador potencial?
Los principales factores para seleccionar un transformador de potencial son la tensión de servicio, la aplicación (interior o exterior), el lugar de instalación, los valores nominales de la tensión primaria y secundaria y el nivel de aislamiento.