CAPITULO 6 TRANSFORMADORES PARA INSTRUMENTOS (2).pdf

GUIA DE MEDIDAS ELECTRICAS ELT-258 (TEORIA)
Elaborado por: Ing. Begonia Fernandez
CAPÍTULO 6
TRANFORMADORES PARA INSTRUMENTOS
1. NECESIDAD DE UTILIZACIÓN
Los transformadores para instrumentos son utilizados para reducir la magnitud de la
intensidad o de potencial en el punto de la red en donde están conectados, el objetivo de
reducir estas magnitudes es obtener valores que permiten su utilización para fines
económicos o tecnológicos.
Los transformadores para instrumentos son equipos eléctricos diseñados y construidos
específicamente para alimentar instrumentos eléctricos para las siguientes tres
aplicaciones:
Medición: Para propósitos de facturación de energía y transacciones
Control y protección: Para propósitos de protección de sistemas y relés de
protección.
Investigación de carga: Para manejo económico de cargas industriales
2. TIPOS DE TRANSFORMADORES PARA INSTRUMENTOS
Existen dos tipos de transformadores para instrumentos:
2.1. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (PT)
Es un transformador para instrumento cuyo arrollamiento primario está conectado en
derivación con un circuito eléctrico y cuyo arrollamiento secundario está destinado a
alimentar instrumentos eléctricos de medición, control o protección. En otras palabras, es
un “reductor de tensión”, pues la tensión en su circuito secundario es normalmente menor
que la tensión en su circuito primario.
2.2. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE (CT)
Es un transformador para instrumento cuyo arrollamiento primario está conectado en
serie en un circuito eléctrico y cuyo arrollamiento secundario está destinado a alimentar
instrumentos eléctricos de medición, control o protección. En otras palabras, es un
“reductor de corriente”, pues la corriente en su circuito secundario es normalmente menor
que la corriente en su circuito primario.
3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los transformadores de instrumentos son equipos eléctricos estáticos que reciben
energía eléctrica y proporcionan energía eléctrica. Consta esencialmente de dos

circuitos eléctricos acoplados a través de un circuito magnético. Uno de los circuitos
eléctricos, denomina primario, recibe energía de una fuente AC, y el otro, llamado
secundario, proporciona energía de la misma forma y frecuencia pero con tensión o
corriente de diferente en magnitud, a una carga M.
FIGURA 6.1. EQUIPO ELÉCTRICO ESTÁTICO – PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los circuitos primario y secundario son bobinas, usualmente, de hilos de cobre, en
general con número de vueltas n1 ≠ n2, donde n1 es el número de espiras del primario y n2
es el número de espiras del secundario. El circuito magnético, llamado núcleo, es de
chapas de hierro – silicio yuxtapuestas, aisladas unas de las otras para reducir las
pérdidas por corrientes de Foucault.
3.1. TRANSFORMADOR EN VACÍO
En la siguiente figura, se tiene un transformador con el secundario abierto y cuyo primario
es alimentado por tensión alterna u1 de valor eficaz U1. Una corriente i0 que circule en el
primario llamada “corriente de excitación”, de valor eficaz I0 que da origen al flujo φ de
valor eficaz ɸ en el circuito magnético que enlaza a los dos circuitos eléctricos al mismo
tiempo.
FIGURA 6.2. TRANSFORMADOR CON EL SECUNDARIO EN VACIO
En el primario surge una f.e.m. auto inducida:
(6.1)

En el secundario surge una f.e.m. inducida:
Siendo: φ = ɸm . sen ωt
Cuyos respectivos valores eficaces son:
Dividiendo las ecuaciones (6.6) y (6.7):
Considerando que los arrollamientos son altamente inductivos se tiene:
U1 = E1 y U2 = E2
Por tanto:
3.2. TRANSFORMADOR EN CARGA
Considerando ahora un secundario alimentando una carga M de impedancia Z.
(6.2)
(6.3)
(6.4)
(6.5)
(6.6)
(6.7)
(6.8)
(6.9)

FIGURA 6.3. TRANSFORMADOR CON EL SECUNDARIO CON CARGA
La tensión U2 hace circular una corriente i2 cuyo valor eficaz es:
I2 = |U2| / |Z|
Asumiendo que la potencia del primario es totalmente transferida al secundario, es decir,
no hay pérdidas y el rendimiento es 100%, se tiene:
U1 I1 = U2 I2
Debido a que I1 e I2 tienen sentidos opuestos, la relación fasorial entre estas será:
Sin embargo la corriente I1 tiene un componente más que es la corriente de excitación I0
por lo que la expresión anterior toma la siguiente forma:
(6.10)
(6.11)
(6.12)
(6.13)

Considerando las resistencias r1 y r2 del devanado primario y secundario
respectivamente:
Tomando en cuenta que tanto en el primario como en el secundario existen flujos de
dispersión, se debe considerar también las respectivas reactancias de fuga o de
dispersión:
FIGURA 6.4. FLUJOS Y REACTANCIAS DE DISPERSIÓN
Dónde:
De estas ecuaciones se obtiene el circuito equivalente de un transformador real con todos
sus elementos considerados:
FIGURA 6.5. CIRCUITO EQUIVALENTE
(6.14)
(6.15)

4. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (PT)
Los PTs son empleados para alimentar instrumentos como voltímetros, bobinas de
potencial de vatímetros, bobinas de potencial de medidores de energía eléctrica, reles,
etc.).
4.1. CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (PT)
Los PTs pueden ser conectados entre fases y entre fase y tierra:
FIGURA 6.6. CONEXIÓN DEL PT ENTRE FASES

FIGURA 6.6. CONEXIÓN DEL PT ENTRE FASE Y TIERRA
4.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (PT)
A continuación se describen las principales características de los PTs, que son además
con los que estos equipos deben ser especificados.
4.2.1. TENSIÓN SECUNDARIA (PT)
Es la tensión en Baja Tensión, usualmente es 230 V, 120 V, 115 V o estos mismos
valores divididos entre √3.
Para definir o especificar la tensión secundaria del PT a ser instalado en un determinado
circuito, es necesario revisar los estándares que se aplican al punto en que se requiere la
instalación del PT y tener identificados los equipos que serán conectados a su secundario
y su respectivo nivel de tensión.
En el caso en que se tenga un PT existente y se requiera identificar su nivel de tensión en
el lado secundario, se debe revisar los datos de placa (solo en instalaciones
desenergizadas) y planos “As buit”.
4.2.2. TENSION PRIMARIA (PT)
La tensión primaria nominal depende de la tensión entre fases o entre fase y neutro del
circuito en el que el PT será instalado.
4.2.3. RELACION DE TRANSFORMACIÓN (PT)
Para transformadores de potencial se distinguen las tres relaciones siguientes:

4.2.3.1. RELACION DE TRANSFORMACIÓN NOMINAL O RELACION DE
TRANSFORMACIÓN (PT)
Es la relación entre los valores nominales U1n y U2n de las tensiones primaria y
secundaria, respectivamente, para las cuales el PT fue diseñado y construido. La
relación nominal es la indicada por el fabricante en la placa de identificación del PT. Esta
relación es aproximadamente igual a la relación entre el número de espiras del primario y
secundario.
4.2.3.2. RELACION DE TRANSFORMACIÓN REAL (PT)
Es una relación entre un valor exacto U1 de una tensión cualquiera aplicada al primario
del PT y el correspondiente valor exacto U2 verificado en el secundario de este, como un
PT es un equipo electromagnético, a cada U1 corresponde un U2 y en consecuencia un
Kr:
Así también, para una misma tensión U1 aplicada al primario, a cada carga colocada en el
secundario del PT corresponderá un valor de tensión U2 y como consecuencia un Kr:
Estos valores de Kr son muy próximos entre sí.
(6.16)
(6.17)
(6.18)
(6.19)

4.2.3.3. FACTOR DE CORRECCION DE RELACIÓN (PT)
Es un factor por el que se debe multiplicar la relación de transformación Kp del PT para
obtener su relación real Kr.
A cada Kr corresponderá un FCRp, en virtud de estas variaciones se determina los
valores límite inferior y superior para FCRp para cada PT bajo condiciones específicas,
con base en ello, es posible establecer su clase de precisión.
4.2.4. ERROR DE RELACION (PT)
Valor relativo:
En la última fórmula U1 es el valor verdadero o exacto de tensión primaria obtenida del
respectivo diagrama fasorial, el cual puede diferir ligeramente de KpU2.
Valor porcentual:
4.2.5. DESPLAZAMIENTO DE FASE o ERROR DE FASE (ᵟ) (PT)
Diferencia de fase entre tensión primaria y secundaria. La dirección de los fasores se elige
de modo que el ángulo sea cero para un transformador ideal.
El error de fase se considera positivo cuando el vector de la tensión secundaria está
adelantado respecto al vector de la tensión primaria. Se expresa habitualmente en
minutos, o en centirradianes.
(6.20)
(6.21)
(6.22)

4.2.6. CLASE DE PRECISIÓN (PT)
Es el valor máximo de error expresado en porcentaje, que podrá ser introducido por el
transformador para instrumentos, en el registro de una medición en condiciones
específicas.
Puede tener los valores de (bajo notación ANSI): 0,3 (para medición con fines de
facturación) – 0,6 y 1,2 (estos dos últimos para medición sin fines de facturación,
alimentación de reles, alimentación de instrumentos de control).
FIGURA 6.7. CLASE DE PRECISIÓN PTs SEGÚN NORMA IEEE C57.13

FIGURA 6.8. CLASE DE PRECISIÓN PTs SEGÚN NORMA IEC 61869-3
CLASES DE PRECISIÓN EN LOS TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA MEDIDA
(norma IEEE/ANSI):
TABLA 6.1
CLASES DE PRECISIÓN EN LOS TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA
PROTECCIÓN (normas IEC):
TABLA 6.2

4.2.7. CARGA NOMINAL O BURDEN
Carga en la cual se cumplen las condiciones de precisión del PT. Es la cargabilidad del
PT denominado Burden para diferenciarlo de la carga que está siendo medida.
Es la carga conectada al transformador de potencial (instrumentos, medidores, etc. mas
los cables) normalmente la carga se expresa en potencia aparente en [VA].
Según la norma IEC, los valores de la potencia de precisión para un factor de potencia 0,8
(circuito inductivo) expresados en VA son: 10-15-25-30-50-75-100-150-200-300-400-500.
Según norma IEEE/ANSI admite las cargas (de precisión) indicadas en la tabla:
TABLA 6.3
4.2.8. POTENCIA TERMICA (PT)
Es la mayor potencia aparente que un PT puede suministrar en régimen permanente en
condiciones de tensión y frecuencia nominales, sin exceder los límites de elevación de
temperatura especificados.
4.2.9. NIVEL DE AISLAMIENTO (PT)
Define una especificación para el PT referida a las condiciones que debe satisfacer su
aislación en términos de tensión soportable. En la tabla siguiente se tiene los niveles de
aislamiento según normas internacionales.

TABLA 6.4
4.2.10. POLARIDAD
Es la dirección instantánea relativa de las corrientes que entran en los terminales
primarios y salen de los terminales secundarios durante la mayor parte de cada medio
ciclo.
Se dice que los terminales primario y secundario tienen la misma polaridad cuando, en un
instante dado durante la mayor parte de cada medio ciclo, la corriente ingresa al terminal
primario y sale del terminal secundario en la misma dirección como si hubiera un circuito
continuo entre los dos terminales.
4.3. TIPOS DE TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (PT)
Estos transformadores se fabrican para servicio interior o exterior, se fabrican con
aislamientos de resinas sintéticas (epoxy) para tensiones bajas o medias de hasta 33 kV,
mientras que para altas tensiones se utilizan aislamientos de papel, aceite, porcelana o
con gas SF6.

FIGURA 6.9. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL TIPO INDUCTIVO
MT AT
Ver figuras en
siguientes página

FIGURA 6.10. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL TIPO CAPACITIVO

5. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE (CT)
En la figura a continuación, se muestra de manera esquemática, un transformador de
corriente, se considera como un “reductor de corriente”, de una corriente elevada I1 a una
corriente reducida I2 de valor soportable por instrumentos eléctricos (amperímetros,
bobinas de corriente de vatímetros, boinas de corriente de medidores de energía eléctrica,
reles de corriente, etc.)
5.1. CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (CT)
n1 < n2
I1 > I2
FIGURA 6.11. CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
El transformador de corriente se debe conectar en serie en el circuito donde requiere ser
instalado. En el mercado se encuentra CTs para: 200/5 A, 500/5 A, 1000/5 A y otros.
5.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (CT)
A continuación se describen las principales características de los CTs, que son además
con los que estos equipos deben ser especificados.
5.2.1. CORRIENTE O INTENSIDAD SECUNDARIA (CT)
Es la intensidad de corriente en el lado secundario, usualmente 5 A, 1 A.
5.2.2. CORRIENTE PRIMARIA (CT)
Es la intensidad de corriente en el lado primario, la magnitud varía según el nivel de
tensión del circuito.

5.2.3. RELACION DE TRANSFORMACIÓN DEL CT
Para transformadores de corriente se distingue las siguientes tres relaciones:
5.2.3.1. RELACION NOMINAL DEL CT
Es la relación entre los valores nominales I1n e I2n de las corrientes primaria y secundaria
respectivamente. I1n e I2n son las corrientes para las cuales el CT fue construido. La
“Relación Nominal” o “Relación de Transformación Nominal” es la indicada por el
fabricante en la placa de identificación del CT. Esta relación es muy aproximada a la
relación entre espiras.
5.2.3.2. RELACION REAL DEL CT
Es la relación entre el valor exacto I1 de una corriente cualquiera que recorre el devanado
primario del CT y el correspondiente valor exacto I2 en el lado secundario.
Como el CT es un equipo electromagnético, a cada I1 corresponde un I2, y como
consecuencia un Kr:
También, para una misma corriente I1 que recorre el primario, a cada carga colocada en
el secundario del CT corresponderá un valor de corriente I2 , y como consecuencia un Kr:
Estos valores de Kr son muy próximos entre sí.
(6.23)
(6.24)
(6.25)
(6.26)
(6.27)

5.2.3.3. FACTOR DE CORRECCIÓN DE RELACIÓN (CT)
Es un factor por el cual se debe multiplicar la relación de transformación Kc del CT para
obtener su relación real Kr.
A cada Kr de un CT corresponderá un FCRc. En virtud de estas variaciones, se determina
los valores límite inferior y superior de FCRc para cada CT bajo condiciones específicas,
que son la base para determinar su “Clase de Presición”.
5.2.4. ERROR DE RELACION (CT)
Valor relativo:
En la última fórmula I1 es el valor verdadero o exacto de corriente en el lado primario
obtenida del respectivo diagrama fasorial.
Valor porcentual:
5.2.5. ERROR DE FASE O ANGULO DE FASE (ᵝ) (CT)
Es el ángulo existente entre I1 y el inverso de I2.
Si el inverso del vector I2 está adelantado en relación al vector I1, ᵝ es positivo, en caso
contrario es negativo. Se expresa habitualmente en minutos, o en centirradianes.
5.2.6. CORRIENTE DE CALENTAMIENTO DE LOS CTs
El transformador de intensidad debe soportar su intensidad de calentamiento nominal, sin
que la temperatura de los arrollamientos sobrepase el valor admisible, según la clase
térmica del aislamiento.
(6.28)
(6.29)
(6.30)

En la tabla siguiente se indican los valores de la intensidad nominal de calentamiento
según diversas normas, expresados como un número de veces la In.
TABLA 6.5
5.2.7. CORRIENTE O INTENSIDAD DE CORTO CIRCUITO DE LOS CTs
La corriente que circula durante un cortocircuito en la línea y crea problemas térmicos y
dinámicos en el transformador.
Si Icc es la intensidad de cortocircuito de la red y t su duración máxima en segundos (entre
0,5 y 5 seg), la intensidad límite térmica del transformador (expresada para 1 segundo)
debe ser tal que se cumpla la condición:
I th ≥ Icc √t
Ith e Icc en valor eficaz.
El efecto dinámico se debe a la máxima amplitud de la onda de la corriente de
cortocircuito. Por ello, algunas normas relacionan los valores de las intensidades térmica y
dinámica.
En el peor de los casos IEC fija que:
I dyn ≥ 2,5 Ith
En IEEE/ANSI la intensidad dinámica se expresa como el valor de pico de la componente
simétrica de una onda totalmente desplazada. Por tanto,
I dyn = 2 x √2 x Ith = 2,83 Ith

5.2.8. CLASE DE PRESICION DE LOS CTs
La clase de precisión se designa por el error máximo admisible, en porcentaje, que el
transformador puede introducir en la medición, operando con su corriente nominal
primaria y la frecuencia nominal.
Bajo notación ANSI, puede tener los valores de: 0,3 (para medición con fines de
facturación) – 0,6 y 1,2 (estos dos últimos para medición sin fines de facturación,
alimentación de reles, alimentación de instrumentos de control).
CLASES DE PRECISIÓN EN LOS TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD PARA
MEDIDA:
TABLA 6.6

FIGURA 6.12. CLASE DE PRECISIÓN EN LOS CTs PARA MEDIDA

CLASES DE PRECISIÓN EN LOS TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD PARA
PROTECCIÓN:
TABLA 6.7
5.2.9. CARGA NOMINAL O BURDEN (CT)
Carga en la cual se cumplen las condiciones de precisión del CT. Es la cargabilidad del
CT denominado Burden para diferenciarlo de la carga que está siendo medida. Se
denomina también potencia de precisión.
Es la carga conectada al transformador de corriente (instrumentos, medidores, etc.)
normalmente la carga se expresa en potencia aparente en [VA].
En la siguiente tabla se muestra las equivalencias aproximadas entre las cargas IEC e
IEEE/ANSI.
TABLA 6.8

5.2.10. TENSIÓN NOMINAL (CT)
Los transformadores de corriente se dimensionan siempre para la tensión línea-línea del
sistema trifásico en el cual operarán. Un transformador de corriente de 13.8 kV, por
ejemplo, se diseña para uso en un sistema trifásico a 13.8 kV.
NOTA: Respecto al nivel básico de aislamiento para CTs referirse a la misma tabla del
apartado 4.2.9.
5.3. TIPOS DE TRANSFORMADOR DE CORRIENTE (CT)
Estos transformadores se fabrican para servicio interior o exterior, se fabrican con
aislamientos de resinas sintéticas (epoxy) para tensiones bajas o medias de hasta 33 kV,
mientras que para altas tensiones se utilizan aislamientos de papel, aceite, porcelana o
con gas SF6.
FIGURA 6.13. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE PARA MEDIA TENSIÓN
Barra Arrollado o devanado Ventana

FIGURA 6.14. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE PARA ALTA TENSIÓN
6. BIBLIOGRAFÍA
MEDICION DE ENERGÍA ELÉCTRICA. Solon de Medeiros Filho
TRANSFORMADORES PARA INSTRUMENTOS INFORMACIÓN TÉCNICA Y GUÍA DE
APLICACIÓN de ABB
TEORÍA Y TECNOLOGÍA DE LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA de ARTECHE

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