Introducción: El papel fundamental de los transformadores de instrumentos
En la compleja arquitectura de los sistemas eléctricos de potencia modernos, los transformadores de instrumentos sirven como los ojos y oídos esenciales que hacen que las redes de alta tensión y alta corriente sean medibles, controlables y seguras. Estos dispositivos especializados, específicamente transformadores de corriente (TC) y transformadores de potencial (TP, también conocidos como transformadores de tensión o TV), realizan una función de escalado crítica. Transforman las cantidades del sistema primario (miles de amperios, cientos de kilovoltios) en valores secundarios estandarizados de bajo nivel (típicamente 5 A y 115–120 V) que pueden ser manejados con seguridad por medidores, relés y equipos de monitorización.
Para los ingenieros, integradores de sistemas y especialistas en adquisiciones, comprender las diferencias fundamentales entre los TC y los TP no es meramente académico, sino que impacta directamente en la precisión del sistema, la fiabilidad de la protección, la seguridad del personal y el cumplimiento normativo. Una aplicación incorrecta puede provocar errores de medición, fallos de protección o incluso condiciones peligrosas como la ruptura del aislamiento o la explosión del transformador.
Esta completa guía de VIOX Electric, un fabricante líder de equipos eléctricos, aclara las distintas funciones, diseños, normas y aplicaciones de los transformadores de corriente frente a los transformadores de potencial. Tanto si está especificando transformadores para una nueva subestación, modernizando una instalación existente o simplemente buscando profundizar sus conocimientos técnicos, este artículo le proporciona la comparación definitiva que necesita para tomar decisiones informadas.
¿Qué son los transformadores de corriente (TC)?
Un transformador de corriente es un tipo de transformador de instrumentos diseñado para reducir las altas corrientes primarias a una corriente secundaria estandarizada de bajo nivel, normalmente 5 A o 1 A, para una medición y protección seguras. A diferencia de los transformadores de potencia que transfieren energía, los TC son dispositivos de detección que proporcionan una representación proporcional precisa de la corriente primaria, al tiempo que aíslan eléctricamente los instrumentos de medición del circuito de alta tensión.
Principio de funcionamiento básico: Los TC funcionan según el mismo principio de inducción electromagnética que los transformadores convencionales, pero con una distinción de diseño crucial: el devanado primario consta de muy pocas espiras (a menudo un solo conductor o barra colectora) y está conectado en serie serie con la línea que transporta la corriente que se va a medir. El devanado secundario tiene muchas espiras de hilo fino. Según la relación del transformador $I_p \times N_p = I_s \times N_s$, la alta corriente primaria $I_p$ se transforma en una corriente secundaria mucho más baja $I_s$ que puede ser manejada con seguridad por amperímetros, contadores de energía, relés de protección y sistemas de adquisición de datos.
Normalización y seguridad: La clasificación secundaria está estandarizada internacionalmente en 5 A (o 1 A en algunas aplicaciones), lo que garantiza la compatibilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes. Una norma de seguridad fundamental rige la instalación de los TC: el circuito secundario nunca debe estar en circuito abierto mientras el primario está energizado. Un secundario abierto puede provocar la saturación del núcleo, induciendo tensiones peligrosamente altas que ponen en riesgo el fallo del aislamiento, la formación de arcos o incluso la explosión del transformador. Los secundarios de los TC no utilizados deben cortocircuitarse o conectarse a una carga.
- Medición de energía (facturación de servicios públicos, submedición)
- Monitorización del sistema (perfilado de carga, análisis de la calidad de la energía)
- Relevo de protección (sobrecorriente, diferencial, protección de distancia)
- Control y automatización (enclavamiento basado en corriente, protección del motor)
En VIOX Electric, fabricamos TC que cumplen las rigurosas normas IEC y ANSI, garantizando la precisión, la fiabilidad y la seguridad para sus aplicaciones más exigentes.
¿Qué son los transformadores de potencial (TP)?
Un transformador de potencial, también llamado transformador de tensión (TV), es un transformador de instrumentos que reduce las altas tensiones del sistema a una tensión baja estandarizada, normalmente 115 V o 120 V, para una medición y protección seguras. Los TP proporcionan una proporcionalidad de tensión precisa y aislamiento galvánico, lo que permite que los medidores, relés y dispositivos de control funcionen de forma segura a niveles de baja tensión mientras supervisan los circuitos de alta tensión.
Principio de funcionamiento básico: Los TP son esencialmente transformadores reductores de precisión. El devanado primario, que tiene muchas espiras de hilo fino, está conectado en paralelo paralelo a las dos líneas o entre la línea y tierra cuya tensión se va a medir. El devanado secundario tiene menos espiras, produciendo una tensión de salida reducida que mantiene una relación fija con la tensión primaria. La transformación sigue la relación $V_p / V_s = N_p / N_s$, donde $V_p$ es la tensión primaria, $V_s$ es la tensión secundaria, y $N_p$, $N_s$ son las respectivas espiras del devanado.
Normalización y seguridad: Las tensiones secundarias están estandarizadas en 115 V o 120 V para las mediciones de línea a línea y en 69,3 V o 66,5 V para las configuraciones de línea a neutro, lo que garantiza la interoperabilidad en las instalaciones globales. A diferencia de los TC, los TP pueden funcionar con seguridad con un circuito secundario abierto; el principal peligro es cortocircuitar el secundario, lo que puede provocar un flujo de corriente excesivo y daños térmicos en los devanados. Los TP están diseñados para soportar condiciones de sobretensión continua (normalmente el 110% de la tensión nominal) y sobretensiones de emergencia de corta duración, tal como definen los grupos IEEE.
- Medición de tensión (medición, monitorización del sistema)
- Sincronización (paralelización de generadores, interconexión de la red)
- Relevo de protección (subtensión, sobretensión, protección de distancia)
- Análisis de la calidad de la energía (caída de tensión, sobretensión, monitorización de armónicos)
VIOX Electric suministra TP que cumplen las normas internacionales IEC y ANSI/IEEE, ofreciendo la precisión y la durabilidad necesarias para aplicaciones de servicios públicos, industriales y comerciales.
TC vs TP: Diferencias fundamentales de un vistazo
La siguiente tabla resume las distinciones fundamentales entre los transformadores de corriente y los transformadores de potencial en múltiples dimensiones.
| Característica | Transformador de corriente (TC) | Transformador de potencial (TP) / Transformador de tensión (TV) |
|---|---|---|
| Función Principal | Reduce la alta actual a una corriente baja estandarizada (normalmente 5 A o 1 A) para la medición y la protección. | Reduce la alta voltaje a una tensión baja estandarizada (normalmente 115 V o 120 V) para la medición y la protección. |
| Conexión del circuito | Conectado en serie serie con el conductor que transporta la corriente que se va a medir. | Conectado en paralelo paralelo a las líneas cuya tensión se va a medir. |
| Tipo de transformador | Funciona como un transformador elevador (eleva la tensión para reducir la corriente). | Funciona como un transformador reductor (reduce la tensión). |
| Devanado primario | Pocas espiras (a menudo un solo conductor o barra colectora); conductor grueso para soportar una alta corriente. | Muchas espiras de hilo fino para soportar una alta tensión. |
| Devanado secundario | Muchas espiras de hilo fino para producir una corriente baja. | Menos espiras para producir una tensión baja. |
| Calificación secundaria | Estandarizado en 5 A (o 1 A). | Estandarizado en 115 V o 120 V (línea a línea); 69.3 V o 66.5 V (línea a neutro). |
| Riesgo de seguridad | Nunca abra el circuito el secundario mientras el primario está energizado: causa saturación del núcleo, voltaje peligrosamente alto, falla del aislamiento o explosión. | Nunca cortocircuite el secundario: causa corriente excesiva, daño térmico a los devanados. |
| Consideración de carga | La carga secundaria (impedancia) afecta la precisión; debe calcularse para evitar la saturación. | La carga secundaria afecta la precisión; debe estar dentro de la VA nominal para mantener la precisión de la clase. |
| Clases de precisión (IEC) | Medición: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3; 0.2S, 0.5S. Protección: P, PR, TPX, TPY, TPZ. |
Medición: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3. Protección: P, PR. |
| Clases de precisión (ANSI/IEEE) | Medición: 0.3%, 0.6%, 1.2%. Protección: C100, C200, C400, C800 (≈ 5P20 a VA correspondiente). |
Medición: 0.3%, 0.6%, 1.2%. Protección: Definido por la capacidad de sobretensión (grupos IEEE). |
| Aplicaciones Típicas | Medición de energía, monitoreo de carga, protección contra sobrecorriente/diferencial/distancia, protección de motor. | Medición de voltaje, sincronización, protección contra subtensión/sobretensión, análisis de calidad de energía. |
| Normas | IEC 61869‑2, IEEE C57.13, ANSI C57.13. | IEC 61869‑3, IEEE C57.13, ANSI C57.13. |
| Preocupación por la saturación del núcleo | Alto riesgo durante fallas o condiciones de circuito secundario abierto; requiere especificación de voltaje de punto de rodilla. | Menor riesgo; diseñado para operación continua de sobretensión. |
| Puesta a tierra secundaria | Un terminal debe estar conectado a tierra por seguridad y referencia. | Un terminal debe estar conectado a tierra por seguridad y referencia. |
Conclusión Clave: Los TC son dispositivos de detección de corriente conectados en serie dispositivos que nunca deben abrirse en circuito, mientras que los TP son dispositivos de detección de voltaje conectados en paralelo dispositivos que nunca deben cortocircuitarse. Esta diferencia fundamental dicta su diseño, instalación y protocolos de seguridad.
Variaciones de construcción y diseño
Los transformadores de corriente y los transformadores de potencial se construyen en formas físicas distintas para que coincidan con sus funciones de medición específicas y los requisitos de instalación. Los TC comúnmente aparecen como tipos de ventana (donut) para una fácil instalación alrededor de los conductores existentes, diseños de primario enrollado para rangos de corriente más bajos, variantes de tipo barra para una construcción mecánica robusta y configuraciones de buje para aplicaciones de modernización. Los TP son típicamente transformadores electromagnéticos (inductivos) para voltajes de hasta 36 kV, transformadores de voltaje capacitivos (CVT) para sistemas de extra alta tensión y versiones de resina fundida o inmersión en aceite para condiciones ambientales adversas. Cada tipo de construcción equilibra la precisión, el costo, el tamaño y la resistencia ambiental para adaptarse a diferentes aplicaciones del sistema de energía.
Clases de precisión y estándares (IEC vs ANSI)
Los transformadores de instrumentos se rigen por estándares internacionales y regionales que definen su rendimiento de precisión, métodos de prueba y sistemas de clasificación. Los dos marcos dominantes son CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) estándares, utilizados globalmente, y ANSI/IEEE (Instituto Nacional Estadounidense de Estándares/Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) estándares, prevalentes en Norteamérica.
Estándares IEC para TC y TP
- IEC 61869‑2: Requisitos adicionales para transformadores de corriente
- IEC 61869‑3: Requisitos adicionales para transformadores de potencial (voltaje)
Clases de precisión de TC según IEC 61869‑2
- Clases estándar: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3 (error de relación porcentual a la corriente nominal)
- Clases especiales: 0.2S, 0.5S – precisión extendida sobre un rango de corriente más amplio (1% a 120% de la corriente nominal)
- Clases P: P, PR (con remanencia) – definido por límites de error compuesto a la corriente límite de precisión nominal (por ejemplo, 5P20, 10P20)
- Clases TP: TPX, TPY, TPZ – para requisitos de rendimiento transitorio en esquemas de protección de alta velocidad
Clases de precisión de TP según IEC 61869‑3
Clases de medición: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3 (error de porcentaje de voltaje y desplazamiento de fase a voltaje y carga nominales)
Clases de Protección: P, PR – similar a los TC pero aplicados a transformadores de voltaje para aplicaciones de protección
Normas ANSI/IEEE para TC y TP
IEEE C57.13 (y sus derivados) es la norma principal para transformadores de instrumentos en Norteamérica.
Clases de Precisión de TC según IEEE C57.13
- 0.3%, 0.6%, 1.2% – correspondientes a las cargas B‑0.1, B‑0.2, B‑0.5, B‑1, B‑2, B‑4, B‑8
- Clase C: C100, C200, C400, C800 – el número indica el voltaje secundario a la carga estándar (p. ej., C200 entrega 200 V a 100 A secundarios con una carga de 2‑Ω)
- Clase T: Los TC de clase T tienen un flujo de fuga más alto y requieren pruebas para determinar los factores de corrección de la relación
Clases de Precisión de TP según IEEE C57.13
Precisión de Medición: 0.3%, 0.6%, 1.2% – límites de error de voltaje en cargas y rangos de voltaje especificados (90% a 110% del voltaje nominal)
Grupos IEEE: Los TP se clasifican en grupos (p. ej., Grupo 1, Grupo 2) según su sistema de aislamiento y capacidades de sobrevoltaje, que dictan los factores de sobrevoltaje continuos y de corta duración.
Equivalentes entre Normas
- Medición de TC: IEC 0.2 ≈ ANSI 0.3%; IEC 0.5 ≈ ANSI 0.6%; IEC 1 ≈ ANSI 1.2%
- Protección de TC: IEC 5P20 a 50 VA ≈ C200; IEC 10P20 a 100 VA ≈ C400
- Medición de TP: IEC 0.2 ≈ ANSI 0.3%; IEC 0.5 ≈ ANSI 0.6%
Importancia de las Consideraciones de Carga
En los sistemas IEC y ANSI, las clases de precisión son válidas solo a cargas especificadas. La carga secundaria total (incluida la impedancia del medidor/relé, la resistencia del cable y la resistencia de contacto) debe calcularse y mantenerse dentro de la carga nominal del transformador para mantener la precisión declarada. Exceder la carga nominal puede causar saturación (TC) o una caída de voltaje excesiva (TP), lo que lleva a errores de medición o un mal funcionamiento de la protección.
VIOX Electric proporciona hojas de datos técnicos detalladas que especifican las clases de precisión, las cargas nominales y las capacidades de sobrecorriente/sobrevoltaje según las normas IEC y ANSI/IEEE, lo que permite una selección adecuada para su aplicación específica.
Aplicaciones en Medición, Protección y Monitoreo
Los transformadores de corriente y los transformadores de potencial desempeñan funciones complementarias en las tres funciones principales de los transformadores de instrumentos: medición (ingresos y operativa), protección (seguridad del sistema y del equipo) y monitoreo (calidad de la energía y estado del sistema).
Aplicaciones de Medición
TC para Medición de Energía: Los TC proporcionan la entrada de corriente para los medidores de vatios‑hora, lo que permite una facturación precisa para las empresas de servicios públicos y la submedición para las instalaciones industriales. Los TC de clase de medición (IEC 0.2/0.5, ANSI 0.3%/0.6%) garantizan errores mínimos de relación y ángulo de fase a corrientes de carga normales.
TP para Medición de Voltaje: Los TP suministran la referencia de voltaje para los mismos medidores, completando el cálculo de la potencia (P = V×I×cosθ). Sin los TP, las fluctuaciones de voltaje introducirían errores de medición significativos.
Aplicaciones de Protección
TC para Relevadores: Los TC de clase de protección (IEC 5P20, 10P20; ANSI C200, C400) alimentan señales de corriente a los relés de protección que detectan fallas (sobrecorriente, diferencial, distancia). Deben mantener la precisión hasta la corriente límite de precisión (p. ej., 20× la corriente nominal) para garantizar un disparo confiable.
TP para Protección Basada en Voltaje: Los TP proporcionan señales de voltaje para relés de protección de subtensión, sobretensión y distancia. Deben soportar sobretensiones temporales durante las perturbaciones del sistema sin saturarse ni perder precisión.
Aplicaciones de Monitoreo y Control
TC para Perfiles de Carga: Los TC conectados a registradores de datos o sistemas SCADA rastrean los patrones de carga, los picos de demanda y el factor de potencia para la optimización operativa.
TP para Análisis de Calidad de la Energía: Los TP permiten el monitoreo de caídas de voltaje, sobretensiones, armónicos y desequilibrios, lo cual es fundamental para los procesos industriales sensibles y el cumplimiento de las normas de calidad de la energía.
Sistemas Integrados: En las subestaciones digitales modernas, los TC y los TP alimentan unidades de fusión que digitalizan las señales analógicas para los sistemas de protección y control basados en IEC 61850.
Aplicaciones especializadas
TC para Protección de Motores: Los TC monitorean la corriente del motor para la protección contra sobrecarga, rotor bloqueado y pérdida de fase.
TP para Sincronización: Los TP proporcionan información precisa de voltaje y ángulo de fase para sincronizar los generadores a la red.
TC/TP para Energía Renovable: En las plantas solares y eólicas, los transformadores de instrumentos monitorean la salida del inversor, los puntos de conexión a la red y los sistemas colectores.
Las líneas de productos de TC y TP de VIOX Electric cubren todas estas aplicaciones, con diseños optimizados para la precisión, la confiabilidad y la estabilidad a largo plazo en diversos entornos operativos.
Cómo Elegir el Transformador Adecuado para su Sistema
La selección del transformador de corriente o transformador de potencial adecuado requiere una cuidadosa consideración de varios parámetros clave:
Criterios Fundamentales De Selección
1. Clasificación Primaria: Haga coincidir la corriente primaria (TC) o el voltaje (TP) del transformador con los valores operativos de su sistema. Considere tanto la carga normal como las condiciones máximas de falla.
- Medición: IEC 0.2/0.5 o ANSI 0.3%/0.6% para la precisión de la facturación
- Protección: IEC 5P20/10P20 o ANSI C200/C400 para la detección confiable de fallas
3. Clasificación de Carga: Calcule la impedancia total del circuito secundario (cables, medidores, relés) y seleccione un transformador con una clasificación de VA suficiente para mantener la precisión.
4. Nivel de Aislamiento: Asegúrese de que la tensión de aislamiento nominal del transformador supere la tensión máxima de su sistema, incluidas las sobretensiones transitorias.
5. Condiciones ambientales: Tenga en cuenta el rango de temperaturas, la humedad, la altitud y la protección contra la entrada (grado IP) para la ubicación de la instalación.
Errores de selección comunes que se deben evitar
- Subdimensionamiento de los TC para corrientes de fallo, lo que provoca la saturación y el fallo de la protección
- Ignorar los cálculos de carga, causando la degradación de la precisión
- Mezclar las normas IEC y ANSI sin comprender la equivalencia
- Descuidar los requisitos de seguridad (puesta a tierra, protección contra circuito abierto para los TC)
Soporte para la selección de VIOX
VIOX Electric ofrece un soporte técnico integral para ayudarle a seleccionar el TC o TP óptimo para su aplicación. Nuestros expertos pueden ayudarle con los cálculos de carga, las interpretaciones de las normas y los requisitos de diseño personalizados.
Preguntas más Frecuentes (FAQ)
P1: ¿Puedo utilizar un transformador de corriente para medir la tensión, o un transformador de potencial para medir la corriente?
No. Los TC están diseñados específicamente para la medición de corriente y deben conectarse en serie con el conductor. Los TP están diseñados para la medición de tensión y se conectan en paralelo. El uso indistinto de ambos dará lugar a lecturas incorrectas, posibles daños en los equipos y riesgos para la seguridad.
P2: ¿Qué ocurre si dejo el secundario de un TC en circuito abierto mientras el primario está energizado?
La apertura de un secundario de TC bajo carga provoca la saturación del núcleo magnético, induciendo tensiones peligrosamente altas (varios kilovoltios) a través de los terminales abiertos. Esto puede provocar la ruptura del aislamiento, arcos eléctricos, incendios o la explosión del transformador. Cortocircuite siempre los secundarios de los TC no utilizados.
P3: ¿Cómo convierto entre las clases de precisión IEC y ANSI?
Equivalencias aproximadas: IEC 0,2 ≈ ANSI 0,3%; IEC 0,5 ≈ ANSI 0,6%; IEC 1 ≈ ANSI 1,2%. Para los TC de protección, IEC 5P20 a 50 VA ≈ C200, e IEC 10P20 a 100 VA ≈ C400. Consulte siempre los datos del fabricante para conocer el rendimiento preciso en función de su carga específica.
P4: ¿Puedo conectar varios medidores o relés a un solo TC o TP?
Sí, pero la carga total (suma de todos los dispositivos conectados más la resistencia del cable) no debe superar la carga nominal del transformador. Superar la carga nominal degrada la precisión y, en el caso de los TC, puede provocar una saturación prematura durante los fallos.
P5: ¿Con qué frecuencia deben probarse o calibrarse los transformadores de medida?
La verificación inicial debe realizarse después de la instalación. Los intervalos de prueba periódicos dependen de la aplicación: la medición de ingresos puede requerir una calibración anual, mientras que los TC/TP de protección en entornos estables pueden probarse cada 5-10 años. Siga las directrices de la empresa de servicios públicos o las normativas.
P6: ¿Cuál es la diferencia entre un transformador de potencial (TP) y un transformador de tensión capacitivo (TVC)?
Un TP es un transformador electromagnético que reduce directamente la tensión. Un TVC utiliza un divisor capacitivo seguido de un transformador magnético, lo que lo hace más económico para sistemas de extra alta tensión (EAT) (normalmente ≥72,5 kV). Los TVC también sirven como condensadores de acoplamiento para la comunicación por línea portadora.
P7: ¿Por qué deben conectarse a tierra los secundarios de los TC y los TP?
La conexión a tierra de un terminal secundario proporciona un punto de referencia estable, evita potenciales flotantes que podrían poner en peligro al personal y limita las tensiones inducidas por fuentes externas. Una correcta conexión a tierra es esencial para la seguridad y la precisión de la medición.
Conclusión: Asóciese con VIOX para obtener transformadores de medida fiables
Comprender las diferencias fundamentales entre los transformadores de corriente y los transformadores de potencial es esencial para diseñar sistemas de energía eléctrica seguros, precisos y fiables. Los TC, conectados en serie, transforman las altas corrientes en señales normalizadas de baja corriente para la medición y la protección. Los TP, conectados en paralelo, reducen las altas tensiones a niveles seguros y medibles. Sus distintos diseños, clases de precisión y requisitos de seguridad deben tenerse en cuenta cuidadosamente durante la selección y la instalación.
VIOX Electric, como fabricante líder de equipos eléctricos, ofrece una amplia gama de TC y TP que cumplen las normas internacionales IEC y ANSI/IEEE. Nuestros productos están diseñados para ofrecer precisión, durabilidad y rendimiento en diversas aplicaciones, desde subestaciones de servicios públicos hasta plantas industriales e instalaciones de energía renovable.
Cuando necesite transformadores de medida que ofrezcan una precisión y fiabilidad sin concesiones, asóciese con VIOX. Póngase en contacto con nuestro equipo técnico para obtener asistencia personalizada en la selección de los transformadores adecuados para sus requisitos específicos.
