Construcción interna y tipos de transformadores de corriente.

El núcleo: corazón de cada transformador de corriente

El núcleo magnético es el componente que más define el rendimiento dentro de un transformador de corriente. Sirve como medio a través del cual la energía del conductor primario se transfiere al devanado secundario mediante inducción electromagnética. La forma, el material y el área de la sección transversal del núcleo determinan casi todas las características de rendimiento del dispositivo terminado.

Geometría central

La mayoría de los núcleos de transformadores de corriente se fabrican en forma toroidal (anillo). Esta geometría de circuito cerrado garantiza que la trayectoria del flujo magnético sea continua, lo que minimiza las fugas de flujo y contribuye a una alta precisión. Los núcleos toroidales son estándar en instrumentos de grado comercial y de clase de protección porque producen errores de ángulo de fase muy bajos a la corriente nominal.

Para transformadores de corriente de tipo bobinado utilizados en aplicaciones especiales o de alta relación, los núcleos se pueden laminar en configuraciones rectangulares o en forma de C ensambladas a partir de tiras de acero eléctrico de grano orientado. Estos núcleos laminados permiten al fabricante adaptar el área de la sección transversal con precisión para una carga objetivo y una clase de precisión.

Materialeses de núcleo magnético

La elección del material del núcleo magnético controla directamente la clase de precisión, el comportamiento de saturación y la respuesta de frecuencia del transformador. La siguiente tabla resume las opciones más comunes:

Para la medición de frecuencia industrial estándar a 50 Hz o 60 Hz, el acero al silicio CRGO sigue siendo la opción dominante debido a su equilibrio favorable entre costo, disponibilidad y rendimiento magnético. Las aleaciones de níquel-hierro están reservadas para CT de medición de ingresos de precisión donde los errores deben mantenerse dentro del 0,1% o el 0,2% en un amplio rango de carga.

Laminación y aislamiento del núcleo

Para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, los núcleos de acero al silicio se laminan en tiras delgadas, normalmente de 0,23 mm a 0,35 mm de espesor. Cada laminación está recubierta con una fina capa aislante (generalmente un tratamiento de fosfato o un barniz orgánico) que evita que la corriente fluya entre capas. La laminación más ajustada y las tiras más delgadas reducen las pérdidas y la acumulación de calor durante condiciones de sobrecarga sostenida.

Devanado secundario: conversión de flujo en una señal mensurable

El devanado secundario se enrolla directamente sobre el núcleo y es responsable de producir la corriente de salida que miden los instrumentos, relés y medidores. La construcción física de este devanado afecta tanto a la precisión como al rendimiento térmico.

Alambre de bobinado y material conductor

Prácticamente todos los devanados secundarios están enrollados con alambre de cobre esmaltado. La combinación del cobre de alta conductividad eléctrica, ductilidad y características de temperatura bien comprendidas lo convierte en la opción estándar. En diseños livianos especializados, ocasionalmente se usa alambre de aluminio, aunque requiere secciones transversales más grandes para lograr el mismo objetivo de resistencia y exige una terminación cuidadosa para evitar la corrosión.

El calibre del cable se elige para cumplir con la especificación de resistencia del devanado secundario (a menudo llamada Rct, la resistencia del devanado secundario). Un Rct más bajo permite que una mayor porción de la FEM secundaria disponible se entregue a la carga externa en lugar de disiparse internamente en forma de calor. Esto afecta directamente la precisión en niveles de carga bajos.

Técnica de bobinado y recuento de vueltas

El número de vueltas del devanado secundario determina la relación de transformación en combinación con las vueltas primarias. Para un transformador de corriente estándar tipo barra o ventana donde el primario es un conductor de paso único, el recuento de vueltas del primario es 1. Luego, las vueltas del secundario se configuran para lograr la relación deseada, por ejemplo, 200 vueltas para una relación de 200:1 en un transformador de 200 A/1 A.

Los devanados se distribuyen uniformemente alrededor del toroide para garantizar una fuerza magnetomotriz equilibrada y minimizar el flujo de fuga. La uniformidad es especialmente crítica en diseños de alta precisión donde incluso pequeñas asimetrías en la distribución de los devanados pueden introducir errores de ángulo de fase mensurables.

Aislamiento entre capas

Los devanados multicapa requieren aislamiento entre capas para evitar la ruptura de voltaje entre espiras con diferentes potenciales. Los materiales aislantes entre capas comunes incluyen:

• Cinta de película de poliéster (tipo Mylar): se utiliza en CT de voltaje bajo a medio por su equilibrio de rigidez dieléctrica y perfil delgado.
• Película de poliimida (tipo Kapton): seleccionada cuando las temperaturas de funcionamiento superan los 130 °C o cuando se necesita un aislamiento muy fino sin sacrificar la resistencia al voltaje.
• Papel Nomex: utilizado en ambientes secos y de alta temperatura donde los materiales a base de celulosa se degradarían

Disposiciones de conductores primarios en la construcción de transformadores de corriente

El lado primario de un transformador de corriente se puede disponer de varias maneras claramente diferentes, cada una de las cuales da como resultado un tipo de construcción mecánica diferente. Esta es la base principal para clasificar los TC por diseño físico.

Construcción de transformador de corriente tipo barra

Un transformador de corriente tipo barra utiliza un conductor primario fijo instalado de fábrica, generalmente una barra de cobre o aluminio, que pasa por el centro del conjunto de núcleo y devanado toroidal o rectangular. El núcleo y el devanado secundario están encapsulados alrededor de esta barra. Esta construcción ofrece máxima rigidez mecánica y se prefiere para instalaciones de aparamenta y barras colectoras donde las clasificaciones de corriente primaria oscilan entre 400 A y varios miles de amperios.

Debido a que la barra viene configurada de fábrica, los CT de tipo barra no se pueden ajustar en campo. La corriente primaria nominal se determina en el momento de la fabricación. Sin embargo, son extremadamente estables durante décadas de servicio porque no hay juntas mecánicas en la ruta principal que puedan aflojarse o corroerse.

Construcción de transformador de corriente tipo ventana

Los CT de tipo ventana, a veces llamados transformadores de corriente de tipo anillo o donut, consisten en un núcleo toroidal enrollado con la bobina secundaria y encerrado en una carcasa que tiene una abertura central. El conductor primario (cualquiera que sea el cable o barra colectora que transporta la corriente medida) simplemente se pasa a través de esta abertura durante la instalación. No se realiza ninguna conexión eléctrica entre el cuerpo del CT y el conductor primario; el transformador funciona puramente por inducción.

Este diseño es versátil porque se puede instalar un solo modelo CT en conductores de diferentes secciones transversales, siempre que el conductor pase físicamente a través de la ventana. Los CT de tipo ventana se utilizan ampliamente en tableros de paneles, monitoreo de cables y modernización de instalaciones existentes.

Construcción del transformador de corriente enrollado

En un transformador de corriente bobinado, el devanado primario consta de una o más vueltas de conductor de cobre aislado enrollado directamente en el núcleo junto al secundario. Esta disposición se utiliza cuando la corriente primaria es relativamente baja (generalmente por debajo de 100 A) y un conductor de un solo paso produciría un flujo insuficiente para una medición precisa.

Al agregar dos, tres o más vueltas primarias, la relación de transformación efectiva se multiplica sin requerir un núcleo físicamente más grande. Un TC bobinado con 5 vueltas primarias y 1000 vueltas secundarias tiene una relación efectiva de 1000:5 o 200:1, con un primario de 5 vueltas generando un mayor flujo para la misma corriente de línea que un primario de una sola barra.

Los CT de tipo bobinado suelen ser más caros que los de barra o ventana con la misma corriente nominal, porque el proceso de bobinado adicional agrega mano de obra y el aislamiento del conductor primario debe estar clasificado para el voltaje completo de línea a línea del sistema.

Transformador de corriente de núcleo dividido: construcción y aplicaciones

el transformador de corriente de núcleo dividido resuelve un problema práctico específico: cómo instalar un transformador de corriente en un conductor que no se puede desenergizar ni desconectar. El núcleo magnético se divide en dos mitades a lo largo de una junta mecanizada con precisión. Un mecanismo de bisagra o pestillo mantiene las mitades cerradas durante el funcionamiento y permite separarlas para la instalación.

Cuando las mitades del núcleo están abiertas, el CT se puede colocar alrededor de un cable activo. Una vez cerrado y bloqueado, el circuito magnético está completo y el dispositivo funciona de manera idéntica a un CT toroidal sólido de dimensiones equivalentes.

el key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• Mecanizado de precisión de las superficies de contacto con tolerancias inferiores a 10 micrómetros.
• Uso de materiales centrales de alta permeabilidad que sean más tolerantes a pequeños espacios residuales
• Pestillos accionados por resorte que aplican una fuerza de sujeción constante para mantener las mitades firmemente acopladas.
• Materiales de núcleo nanocristalinos o amorfos, que mantienen un error menor incluso con un cierre ligeramente imperfecto.

Los CT de núcleo dividido se utilizan ampliamente en auditorías energéticas, sistemas de gestión de energía de edificios, paneles de monitoreo de energía modernizados y cualquier aplicación donde la instalación deba realizarse sin apagar el circuito monitoreado. Están disponibles en clases de precisión desde Clase 1 hasta Clase 0,5, según el material del núcleo y la calidad de la junta.

Transformador de corriente toroidal: por qué domina la forma del anillo

el toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

Eficiencia magnética del núcleo toroidal

Debido a que el flujo magnético circula completamente dentro del material del núcleo en un diseño toroidal, esencialmente ningún flujo escapa al aire circundante. Esto tiene dos consecuencias prácticas. En primer lugar, la corriente magnetizante necesaria para establecer el flujo de trabajo es muy baja, lo que reduce directamente el error de relación y el desplazamiento de fase. En segundo lugar, el TC toroidal es mucho menos sensible a la posición del conductor primario dentro de la ventana (una propiedad llamada inmunidad al error posicional) en comparación con los diseños de núcleo rectangular.

En un TC toroidal bien diseñado, mover el conductor primario desde el centro de la ventana a una posición descentrada introduce menos de un 0,05% de error de relación adicional. En un TC de núcleo rectangular, el mismo desplazamiento puede introducir errores superiores al 0,3%.

Fabricación de núcleos toroidales

Los núcleos toroidales para transformadores de corriente se fabrican mediante uno de tres métodos según el material de destino:

1. Núcleos enrollados con cinta — Una tira continua de acero al silicio, aleación de níquel-hierro o cinta nanocristalina se enrolla en espiral alrededor de un mandril y luego se trata térmicamente para aliviar la tensión mecánica introducida durante el bobinado. Este método se utiliza para los grados de precisión más altos.
2. Núcleos de laminación apilados — Las laminaciones perforadas individuales se apilan y entrelazan para formar un anillo, comúnmente utilizado para núcleos de mayor diámetro donde el bobinado de la cinta produciría una tensión interna excesiva.
3. Núcleos de ferrita en polvo o sinterizados — Utilizado para aplicaciones de alta frecuencia; la ferrita se prensa en un molde toroidal y se sinteriza a alta temperatura.

Sistemas de aislamiento en transformadores de corriente.

El aislamiento del CT debe realizar dos funciones simultáneamente: aislar el conductor primario de alto voltaje del circuito secundario de bajo voltaje y proteger el devanado y el conjunto del núcleo de la degradación ambiental. El sistema de aislamiento elegido depende de la tensión nominal, el entorno ambiental y los requisitos mecánicos de la aplicación.

Encapsulación de resina (moldeo de epoxi o poliuretano)

el majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• Proporciona una rigidez dieléctrica superior a 3 kV/mm para sistemas epóxicos estándar.
• Elimina la entrada de humedad sin sellado adicional
• Protege mecánicamente el núcleo y el devanado de vibraciones y golpes.
• Permite un control dimensional preciso del cuerpo externo para montaje en panel.

La impregnación por presión al vacío (VPI) se utiliza para conjuntos más grandes donde la fundición no es práctica. El devanado se sumerge en resina al vacío para eliminar el aire atrapado y luego se presuriza para forzar la resina a entrar en todos los huecos antes del curado.

Aislamiento lleno de aceite

Los transformadores de corriente de alto voltaje con capacidad superior a 36 kV suelen utilizar aceite mineral como medio principal de aislamiento y refrigeración. El núcleo bobinado y el conjunto secundario se colocan dentro de un tanque metálico sellado lleno de aceite mineral de calidad para transformadores. El aislamiento de papel de celulosa se enrolla alrededor del conductor primario en múltiples capas, creando la distancia de fuga necesaria para soportar el voltaje de la línea.

Los CT llenos de aceite son el estándar para instalaciones de 110 kV, 220 kV y 500 kV en subestaciones de transmisión. El muestreo regular de aceite y el análisis de gases disueltos permiten a los equipos de mantenimiento detectar la degradación incipiente del aislamiento antes de que ocurran fallas.

Transformadores de corriente aislados en gas

En las instalaciones de aparamenta aislada en gas (GIS), los transformadores de corriente están integrados en el gabinete GIS y utilizan gas hexafluoruro de azufre (SF6) como medio aislante. Estos CT se benefician del mismo tamaño compacto que el tablero circundante y no requieren mantenimiento de líquidos, aunque se debe monitorear la presión y la pureza del sistema de gas sellado.

Diseños de tipo seco y con aislamiento de aire

Para instalaciones interiores en ambientes controlados con voltajes de hasta aproximadamente 36 kV, los CT de tipo seco que utilizan materiales aislantes sólidos (fibra de vidrio unida con resina, resina fundida o Nomex) ofrecen una alternativa a los diseños llenos de aceite. Son más livianos, eliminan el riesgo de derrames de petróleo y simplifican el mantenimiento, aunque son más sensibles a la condensación y la contaminación si se usan en ambientes exteriores hostiles.

Clasificación de transformadores de corriente por tipo de construcción.

el following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

Cómo la construcción interna afecta la precisión y el rendimiento

Seleccionar el transformador de corriente adecuado no es simplemente una cuestión de igualar la relación de corriente. La construcción interna determina cómo se comporta un CT en todo su rango operativo, bajo variación de carga, a temperaturas elevadas y en presencia de armónicos.

Error de relación y sus orígenes

El error de relación surge porque la corriente magnetizante (la corriente requerida para establecer el flujo en el núcleo) no aparece en la salida secundaria. Toda la corriente magnetizante se extrae del primario pero nada llega a la carga. Cuanto mayor sea la corriente magnetizante en relación con la corriente primaria, mayor será el error de relación. Los núcleos de níquel-hierro y nanocristalinos, con su muy alta permeabilidad, requieren mucha menos corriente magnetizante que los núcleos de silicio-acero y, por lo tanto, logran errores de relación más bajos en la misma sección transversal del núcleo.

Error de desplazamiento de fase

El desplazamiento de fase es la diferencia angular, medida en minutos de arco, entre el fasor de corriente primario y el fasor de corriente secundario (invertido en dirección). El desplazamiento de fase es particularmente importante en la medición del factor de potencia y la energía porque incluso un pequeño error angular introduce un error dependiente del coseno en los cálculos de vatios-hora. Un desplazamiento de fase de 10 minutos en una carga con un factor de potencia de 0,5 puede producir un error de medición de energía de aproximadamente el 0,5%.

Carga y su efecto sobre la precisión

el secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

Rendimiento armónico

En instalaciones de accionamiento de velocidad variable, hornos de arco y sistemas de energía de centros de datos, la corriente primaria contiene un contenido armónico significativo, a menudo en los armónicos 5.º, 7.º, 11.º y 13.º. Los núcleos estándar de acero al silicio exhiben pérdidas crecientes y distorsión del ángulo de fase en frecuencias armónicas. Los núcleos nanocristalinos y amorfos, con su curva de permeabilidad plana que se extiende hasta varios kilohercios, proporcionan una precisión sustancialmente mejor en formas de onda distorsionadas y son la opción preferida para los analizadores de calidad de energía de clase A.

Configuraciones de montaje y carcasa exterior

el enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

Carcasa moldeada para montaje en panel

Los CT de bajo voltaje para paneles de medición se producen casi universalmente en carcasas de policarbonato o poliéster reforzado con fibra de vidrio (GRP) formadas mediante moldeo por inyección alrededor del conjunto del núcleo de resina fundida. La carcasa integra terminales de montaje o clips de riel DIN, bloques de terminales secundarios clasificados para la corriente de salida esperada y marcas de polaridad (P1/P2 para primario, S1/S2 para secundario) según los estándares IEC.

Transformadores de corriente tipo casquillo

Los CT con casquillo son conjuntos en forma de anillo diseñados para deslizarse sobre el casquillo de porcelana o polímero de un transformador de potencia o disyuntor. No tienen vivienda propia; en cambio, están sujetos entre la brida del casquillo y la tapa del tanque del transformador. Los CT con casquillo son algunos de los diseños más compactos, ya que el propio casquillo proporciona el conductor primario y el aislamiento de voltaje.

Diseños con aislamiento de polímero y porcelana para exteriores

Los transformadores de corriente exteriores de media y alta tensión están alojados en conjuntos sellados con cobertizos aislantes de compuesto de porcelana o caucho de silicona. El perfil del cobertizo está diseñado para mantener una distancia de fuga adecuada en condiciones de contaminación: la norma IEC requiere una fuga mínima de 16 mm/kV para entornos ligeramente contaminados y hasta 31 mm/kV para sitios muy contaminados. Las carcasas compuestas de caucho de silicona han reemplazado en gran medida a la porcelana en instalaciones nuevas debido a su peso más liviano, su rendimiento superior contra la contaminación en ambientes contaminados y su resistencia a la fractura frágil.

Integración de transformadores de corriente en sistemas de medición

Un sistema completo de medición de corriente involucra el CT, el cableado de interconexión y el instrumento receptor. el transformador de corriente de núcleo dividido Por esta razón, es frecuentemente la opción preferida en proyectos de modernización de medición: se puede instalar sin interrumpir el servicio. Una vez instalado, el CT secundario se conecta a medidores de energía, analizadores de potencia o relés de protección a través de circuitos CT dedicados, que deben mantenerse cerrados en todo momento durante la operación para evitar condiciones peligrosas de sobretensión secundaria.

Estándares de precisión y designaciones de clases

Las clases de precisión de los transformadores de corriente están definidas por estándares internacionales y regionales. Los dos más referenciados son IEC 61869-2 (anteriormente IEC 60044-1) e IEEE C57.13. Comprender las designaciones de clase ayuda a especificar el CT correcto para la aplicación.

Clases de medición IEC

IEC 61869-2 define las clases de precisión de medición como 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 y 3. El sufijo "S" (especial) indica precisión extendida a baja corriente; específicamente, el CT debe cumplir con su especificación de error de relación hasta el 1% de la corriente nominal en lugar del 5% estándar. Las clases 0.5S y 0.2S son requeridas para medidores de energía de grado comercial bajo muchos marcos regulatorios, porque las cargas frecuentemente operan muy por debajo del 100% de la corriente primaria nominal del CT.

Clases de protección IEC

Los CT de clase de protección se designan por su factor de límite de precisión (ALF) y su comportamiento de punto de inflexión. Clase 5P y 10P son las designaciones estándar, donde el número indica el error compuesto máximo en el factor límite de precisión nominal. Un CT 5P20 mantiene un error compuesto que no excede el 5 % cuando la corriente primaria es 20 veces la corriente nominal, la condición necesaria para el funcionamiento confiable de los relés de sobrecorriente durante condiciones de falla.

Clases IEEE

el IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

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