Una comparación práctica de transformadores de corriente para medición y protección

Precisión del TC de protecciónLa precisión de un TC de protección no se basa en la precisión de la factura, sino en su rendimiento predecible durante una falla. Su precisión se define por un "error compuesto" en un múltiplo específico de su corriente nominal. Una clase de protección común es5P10.Esta designación se desglosa de la siguiente manera::

• 5:El error compuesto no superará el 5% en el límite de precisión.
• P:Esta letra lo designa como clase de protección CT.
• 10Este es el Factor Límite de Precisión (FLP). Significa que el TC mantendrá su precisión especificada hasta 10 veces su corriente primaria nominal.

En resumen, un TC 5P10 garantiza que cuando la corriente primaria es 10 veces su clasificación normal, la señal enviada al relé todavía está dentro del 5% del valor ideal, lo que garantiza que el relé tome una decisión de disparo correcta.

Carga y calificación VA

CargaEs la carga eléctrica total conectada a los terminales secundarios del TC, medida en voltamperios (VA) u ohmios (Ω). Cada dispositivo y cable conectado al TC contribuye a esta carga. Exceder la carga nominal de un TC reducirá su precisión.

La carga total es lasuma de las impedancias de todos los componentesen el circuito secundario:

• La propia resistencia del devanado secundario del TC.
• La resistencia de los cables que conectan el TC al dispositivo.
• La impedancia interna del dispositivo conectado (medidor o relé).

Cálculo de la carga total:Un ingeniero puede calcular la carga total utilizando la fórmula:Carga total (Ω) = Devanado CT R (Ω) + Cable R (Ω) + Dispositivo Z (Ω)Por ejemplo, si la resistencia del devanado secundario de un TC es de 0,08 Ω, los cables de conexión tienen una resistencia de 0,3 Ω y el relé tiene una impedancia de 0,02 Ω, la carga total del circuito es de 0,4 Ω. Este valor debe ser inferior a la carga nominal del TC para que funcione correctamente.

Los TC de medición suelen tener valores nominales de VA bajos (p. ej., 2,5 VA, 5 VA) porque se conectan a dispositivos de medición de alta impedancia y bajo consumo en distancias cortas. Los TC de protección requieren valores nominales de VA mucho mayores (p. ej., 15 VA, 30 VA) porque deben suministrar suficiente potencia para operar las bobinas de menor impedancia y mayor consumo de un relé de protección, a menudo en tramos de cable mucho más largos. La adecuación incorrecta de la carga nominal del TC a la carga real del circuito es una fuente común de error tanto en los esquemas de medición como de protección.

Entendiendo el voltaje del punto de rodilla

La tensión de punto de inflexión (KPV) es un parámetro crítico exclusivo de los TC de protección. Define el límite superior del rango de operación útil de un TC antes de que su núcleo comience a saturarse. Este valor es esencial para garantizar que un relé de protección reciba una señal fiable durante una falla de alta corriente.

Los ingenieros determinan el KPV a partir de la curva de excitación del transformador de corriente, que representa gráficamente la tensión de excitación secundaria frente a la corriente de excitación secundaria. El punto de esta curva donde las propiedades magnéticas del núcleo cambian drásticamente.

ElEstándar IEEE C57.13Proporciona una definición precisa de este punto. En una tomografía computarizada de núcleo sin separación, el punto de inflexión se sitúa donde una tangente a la curva forma un ángulo de 45 grados con el eje horizontal. En una tomografía computarizada de núcleo con separación, este ángulo es de 30 grados. Este punto específico marca el inicio de la saturación.

Cuando un TC opera por debajo de su tensión de punto de inflexión, su núcleo se encuentra en un estado magnético lineal. Esto le permite reproducir con precisión la corriente de falla del relé conectado. Sin embargo, una vez que la tensión secundaria supera el KPV, el núcleo entra en saturación. La saturación, a menudo impulsada por grandes corrientes de CA y desfases de CC durante una falla, provoca que el TC...La impedancia magnetizante disminuirá significativamente. El transformador ya no puede reflejar fielmente la corriente primaria a su lado secundario.

La relación entre KPV y la confiabilidad de la protección es directa y crucial:

• Por debajo del punto de la rodilla:El núcleo del TC funciona linealmente. Proporciona una representación precisa de la corriente de falla al relé de protección.
• Por encima del punto de la rodilla:El núcleo se satura. Esto provoca un gran aumento de la corriente de magnetización y un funcionamiento no lineal, lo que significa que el TC ya no refleja con precisión la corriente de falla real.
• Operación del relé:Los relés de protección necesitan una señal precisa para funcionar correctamente. Si un TC se satura antes de que el relé pueda tomar una decisión, este podría no detectar la verdadera magnitud de la falla, lo que provocaría un disparo retardado o un fallo total de funcionamiento.
• Seguridad del sistema:Por lo tanto, la tensión de punto de inflexión del TC debe ser suficientemente superior a la tensión secundaria máxima prevista durante una falla. Esto garantiza que el relé reciba una señal fiable para proteger equipos costosos.

Los ingenieros calculan el KPV necesario para garantizar que el transformador de corriente permanezca sin saturar en las peores condiciones de falla. Una fórmula simplificada para este cálculo es la siguiente:

KPV requerido ≥ Si × (Rct + Rb)

Dónde:

• If= Corriente máxima de falla secundaria (amperios)
• Rct= Resistencia del devanado secundario del TC (ohmios)
• Rb= Carga total del relé, cableado y conexiones (ohmios)

En última instancia, la tensión del punto de inflexión sirve como indicador principal de la capacidad de un TC de protección para realizar su función de seguridad bajo estrés eléctrico extremo.

Descifrando las designaciones de las placas de identificación de los transformadores de corriente

La placa de identificación de un transformador de corriente contiene un código compacto que define sus capacidades de rendimiento. Esta designación alfanumérica es un lenguaje abreviado para ingenieros, que especifica la precisión, la aplicación y los límites operativos del componente. Comprender estos códigos es esencial para seleccionar el dispositivo correcto.

Interpretación de las clases de medición de TC (p. ej., 0,2, 0,5S, 1)

Las clases de TC de medición se definen mediante un número que representa el error porcentual máximo permitido a la corriente nominal. Un número menor indica un mayor grado de precisión.

• Clase 1:Adecuado para medición de panel general donde la alta precisión no es crítica.
• Clase 0.5:Se utiliza para aplicaciones de facturación comercial e industrial.
• Clase 0.2:Necesario para medición de ingresos de alta precisión.

Algunas clases incluyen la letra "S". La designación "S" en las clases de TC de medición IEC, como 0.2S y 0.5S, significa alta precisión. Esta clasificación se emplea generalmente en aplicaciones de medición tarifaria donde la precisión de las mediciones es crucial, especialmente en el extremo inferior del rango de corriente.

Interpretación de las clases de protección CT (p. ej., 5P10, 10P20)

Las clases de protección CT utilizan un código de tres partes que describe su comportamiento durante una falla. Un ejemplo común es5P10.

Desglosando el Código 5P10:

• 5:Este primer número es el error compuesto máximo en porcentaje (5%) en el límite de precisión.
• PLa letra «P» en una clasificación como la 5P10 significa «clase de protección». Esto indica que el TC está diseñado principalmente para aplicaciones de relés de protección, no para mediciones precisas.
• 10Este último número corresponde al Factor Límite de Precisión (FLP). Significa que el TC mantendrá su precisión especificada hasta una corriente de falla 10 veces superior a su valor nominal.

De manera similar, una10P20La clase CT tiene un límite de error compuesto del 10% y un factor límite de precisión de20En una designación como 10P20, el número "20" representa el factor límite de precisión. Este factor indica que el error del transformador se mantendrá dentro de límites aceptables cuando la corriente sea 20 veces su valor nominal. Esta capacidad es crucial para garantizar el correcto funcionamiento de los relés de protección en condiciones severas de cortocircuito.

Guía de aplicación: Adaptación del TC a la tarea

Seleccionar el transformador de corriente adecuado no es una cuestión de preferencia, sino un requisito que dicta la aplicación. Un transformador de corriente de medición proporciona la precisión necesaria para las transacciones financieras, mientras que un transformador de corriente de protección ofrece la fiabilidad necesaria para la seguridad de los activos. Comprender dónde aplicar cada tipo es fundamental para un diseño y una operación adecuados de los sistemas eléctricos.

Cuándo utilizar una tomografía computarizada de medición

Los ingenieros deberían utilizar un TC de medición en cualquier aplicación donde el seguimiento preciso del consumo eléctrico sea el objetivo principal. Estos dispositivos son la base de una facturación y una gestión energética precisas. Su diseño prioriza la alta precisión en condiciones de carga normales.

Las principales aplicaciones de los TC de medición incluyen:

• Medición de ingresos y tarifasLas empresas de servicios públicos utilizan transformadores de corriente de alta precisión (p. ej., clase 0.2S y 0.5S) para facturar a clientes residenciales, comerciales e industriales. Esta precisión garantiza transacciones financieras justas y correctas.
• Sistemas de Gestión de Energía (EMS)Las instalaciones utilizan estos CT para monitorizar el consumo energético de los diferentes departamentos o equipos. Estos datos ayudan a identificar ineficiencias y optimizar el uso de la energía.
• Análisis de la calidad de la energíaLos analizadores de calidad de la energía requieren datos precisos para diagnosticar problemas como armónicos y caídas de tensión. Para estas mediciones, especialmente en sistemas de media tensión, la respuesta en frecuencia del transformador de medida es crucial. Los analizadores modernos pueden requerir datos fiables.hasta 9 kHz, exigiendo transformadores de frecuencia optimizada para capturar un espectro armónico completo.

Nota sobre la selección:A la hora de elegir un TC para un medidor o analizador de potencia hay varios factores que son cruciales.

• Compatibilidad de salida:La salida del CT (por ejemplo, 333 mV, 5 A) debe coincidir con los requisitos de entrada del medidor.
• Tamaño de cargaEl rango de amperaje del TC debe estar alineado con la carga esperada para mantener la precisión.
• Aptitud físicaEl transformador de corriente debe encajar perfectamente alrededor del conductor. Las bobinas Rogowski flexibles son una solución práctica para barras colectoras grandes o espacios reducidos.
• ExactitudPara la facturación, una precisión del 0,5 % o superior es estándar. Para la monitorización general, un 1 % puede ser suficiente.

Cuándo utilizar un TC de protección

Los ingenieros deben utilizar un TC de protección donde el objetivo principal sea proteger al personal y los equipos contra sobrecorrientes y fallas. Estos TC están diseñados para permanecer operativos durante eventos eléctricos extremos, proporcionando una señal fiable a un relé de protección.

Las aplicaciones comunes de los TC de protección incluyen:

• Protección contra sobrecorriente y falla a tierraEstos transformadores de corriente envían señales a relés (como el dispositivo ANSI 50/51) que detectan fallas de fase o de tierra. El relé dispara un interruptor automático para aislar la falla. En aparamenta de media tensión, se utiliza un...TC de secuencia ceroPara la protección contra fallas a tierra a menudo se recomienda una conexión residual deTC trifásicos. Una conexión residual puede provocar disparos falsos debido a una saturación desigual durante el arranque del motor o fallas de fase.
• Protección diferencialEste esquema protege activos importantes, como transformadores y generadores, comparando las corrientes que entran y salen de la zona protegida. Requiere conjuntos de transformadores de corriente de protección acoplados.Relés digitales modernosPuede compensar diferentes conexiones de CT (estrella o delta) y cambios de fase a través de configuraciones de software, lo que ofrece una flexibilidad significativa en estos esquemas complejos.
• Protección de distanciaUtilizado en líneas de transmisión, este esquema se basa en transformadores de corriente de protección (TC) para medir la impedancia de una falla. La saturación del TC puede distorsionar esta medición, provocando que el relé calcule erróneamente la ubicación de la falla. Por lo tanto, el TC debe estar diseñado para evitar la saturación durante la medición.

Según ANSI C57.13, un TC de protección estándar debe soportar hasta20 vecesSu corriente nominal durante una falla. Esto garantiza que pueda enviar una señal útil al relé cuando más lo necesita.

El alto costo de una selección incorrecta

Usar un TC incorrecto es un error crítico con graves consecuencias. Las diferencias funcionales entre los TC de medición y de protección no son intercambiables, y una discrepancia puede tener consecuencias peligrosas y costosas.

• Uso de un TC de medición para protecciónEste es el error más peligroso. Un TC de medición está diseñado para saturarse con sobrecorrientes bajas para proteger el medidor. Durante una falla mayor, se saturará casi instantáneamente. El TC saturado no reproducirá la alta corriente de falla y el relé de protección no detectará la verdadera magnitud del evento. Esto puede provocar un disparo retardado o una falla total de funcionamiento, lo que resulta en daños catastróficos al equipo, incendios y riesgos para el personal. Por ejemplo, la saturación del TC puede provocar que un relé de protección diferencial del transformador...maloperar, lo que provoca un disparo no deseado durante una falla externa.
• Uso de un TC de protección para la mediciónEsta elección genera inexactitud financiera. Un TC de protección no está diseñado para ofrecer precisión a corrientes de operación normales. Su clase de precisión (p. ej., 5P10) garantiza un rendimiento a múltiplos altos de su valor nominal, no en el extremo inferior de la escala donde operan la mayoría de los sistemas. Utilizarlo para la facturación sería como medir un grano de arena con una vara de medir. Las facturas de energía resultantes serían inexactas, lo que provocaría una pérdida de ingresos para la empresa de servicios públicos o un cobro excesivo al consumidor.

Un escenario de fallo crítico:En los esquemas de protección de distancia, la saturación del TC hace que el relé mida unamayor impedanciaque el valor real. Esto reduce el alcance de protección del relé. Una falla que debería solucionarse instantáneamente podría percibirse como una falla más distante, lo que causaría un disparo retardado. Este retraso prolonga la tensión en el sistema eléctrico y aumenta el riesgo de daños generalizados.

En última instancia, el costo de una selección incorrecta de un TC va mucho más allá del precio del componente en sí. Se manifiesta en la destrucción de equipos, tiempos de inactividad operacional, registros financieros inexactos y seguridad comprometida.

¿Puede un solo TC servir tanto para medición como para protección?

Si bien los TC de medición y protección tienen diseños distintos, los ingenieros a veces requieren un solo dispositivo para realizar ambas funciones. Esta necesidad condujo al desarrollo de transformadores especializados de doble propósito, pero estos presentan desventajas específicas.

El TC de doble propósito (clase X)

Una categoría especial, conocida comoTransformador de corriente de clase X o clase PSPueden cumplir funciones tanto de medición como de protección. Estos dispositivos no se definen por clases de precisión estándar como 5P10. En cambio, su rendimiento se especifica mediante un conjunto de parámetros clave que un ingeniero utiliza para verificar su idoneidad para un esquema de protección específico.

Según las normas IEC, el rendimiento de un TC de clase X se define por:

• Corriente primaria nominal
• Relación de vueltas
• Tensión de punto de inflexión (KPV)
• Corriente de magnetización al voltaje especificado
• Resistencia del devanado secundario a 75 °C

Estas características permiten que el dispositivo ofrezca alta precisión de medición en condiciones normales, a la vez que proporciona una tensión de punto de inflexión predecible para un funcionamiento fiable del relé durante fallas. Se utilizan a menudo en esquemas de protección diferencial de alta impedancia donde se requiere conocer con precisión el rendimiento.

Limitaciones prácticas y compensaciones

A pesar de la existencia de transformadores de corriente de clase X, a menudo se evita el uso de un único dispositivo para medición y protección. Ambas funciones presentan requisitos fundamentalmente contradictorios.

Un TC de medición está diseñado para saturarse tempranamente para proteger los medidores sensibles.El CT de protección está diseñadoResistir la saturación para garantizar que un relé pueda detectar una falla. Un TC de doble propósito debe lograr un equilibrio entre estos dos objetivos opuestos.

Este compromiso implica que un TC de doble propósito podría no realizar ambas tareas tan bien como una unidad dedicada. El diseño se vuelve más complejo y costoso. Para la mayoría de las aplicaciones, instalar dos TC especializados separados, uno para medición y otro para protección, es la solución más confiable y rentable. Este enfoque garantiza que tanto elsistema de facturacióny el sistema de seguridad funciona sin concesiones.

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La elección entreTC de medida y protecciónEs una decisión clara basada en la prioridad operativa. Uno proporciona precisión en la facturación, mientras que el otro garantiza la confiabilidad durante una falla. Seleccionar el tipo correcto es fundamental para la seguridad del sistema, la precisión financiera y la longevidad del equipo. Los ingenieros siempre deben comparar las especificaciones del transformador de corriente con las necesidades del dispositivo conectado.

Alista de verificación de verificación finalincluye:

1. Determinar la corriente primaria:Adapte la relación CT a la carga máxima.
2. Calcular la carga:Suma la carga de todos los componentes conectados.
3. Verificar la clase de precisión:Seleccione la clase correcta para medición o protección.

Preguntas frecuentes

¿Qué sucede si el circuito secundario de un TC se deja abierto?

Un circuito secundario abierto genera una alta tensión peligrosa. La corriente primaria se convierte en corriente magnetizante, saturando el núcleo. Esta condición puede destruir el TC y supone un grave riesgo de descarga eléctrica.

Seguridad ante todo:Siempre cortocircuite los terminales secundarios antes de desconectar cualquier instrumento del circuito.

¿Cómo seleccionan los ingenieros la relación CT correcta?

Los ingenieros seleccionan una relación donde la corriente máxima normal del sistema se acerca a la capacidad nominal del primario del TC. Esta elección garantiza que el TC funcione dentro de su rango más preciso. Por ejemplo, una carga de 90 A funciona bien con un TC de 100:5 A.

¿Por qué un TC de medición no es seguro para la protección?

Un TC de medición se satura rápidamente durante una falla. No puede informar la corriente de falla real al relé de protección. Este, entonces, no dispara el interruptor, lo que provoca la destrucción del equipo y graves riesgos de seguridad.

¿Puede un solo TC servir tanto para medición como para protección?

Los transformadores de corriente de clase X especiales pueden cumplir ambas funciones, pero su diseño implica un compromiso. Para una seguridad y precisión óptimas, los ingenieros suelen instalar dos transformadores de corriente dedicados independientes: uno para medición y otro para protección.