Guía de Diseño de Transformadores de Corriente para Protección y Medición

Guía de Diseño de Transformadores de Corriente para Protección y Medición

Los transformadores de corriente (TC) son dispositivos de precisión que convierten corrientes primarias en valores secundarios estándar para relés y medidores. El diseño de un TC implica equilibrar el rendimiento magnético, los límites térmicos y la robustez mecánica para cumplir con los requisitos de precisión bajo condiciones operativas variables.

Definición rápida: El diseño de transformadores de corriente es el proceso de ingeniería que consiste en seleccionar materiales del núcleo, configuraciones de devanados y sistemas de aislamiento para reproducir con precisión las corrientes primarias en un valor secundario escalado.

Conclusiones Clave del Proyecto

• El diseño del TC debe cumplir con las normas IEC 61869-2 y IEEE C57.13 en cuanto a precisión, seguridad y pruebas.
• La saturación del núcleo, el dimensionamiento de la carga y el rendimiento térmico determinan la fiabilidad del TC durante fallas.
• Enwei Electric ofrece TCs diseñados personalizados para aplicaciones de protección, medición y subestaciones digitales.
• Referencias externas de IEC, IEEE y NERC guían las especificaciones, pruebas y protocolos de mantenimiento.

Definición de Objetivos de Diseño

Los diseñadores primero aclaran si el TC sirve para protección, medición o ambas funciones. Los TCs de protección priorizan el rendimiento transitorio y un alto voltaje de punto de rodilla para evitar la saturación durante fallas. Los TCs de medición se centran en la precisión a través de rangos de carga. Las condiciones ambientales, limitaciones de montaje e integración con equipos de conmutación influyen en la geometría y las opciones de aislamiento.

Fundamentos del Circuito Magnético

El núcleo del TC forma un circuito magnético que dirige el flujo generado por la corriente primaria. El área de la sección transversal del núcleo y la longitud del camino magnético determinan la corriente de magnetización y las características de saturación. Los diseñadores utilizan materiales de alta permeabilidad para minimizar la corriente de magnetización, asegurando que la corriente secundaria siga la forma de onda de la primaria.

Los entrehierros, a menudo indeseables, pueden introducirse deliberadamente en TC especiales para controlar la saturación. Sin embargo, los entrehierros aumentan la corriente de magnetización y reducen la precisión, por lo que deben modelarse cuidadosamente.

Alineación con normas y referencias

• IEC 61869-2:2012 — Proporciona clases de precisión, límites térmicos y procedimientos de prueba. Fuente: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Cubre los requisitos de transformadores de medida en América del Norte. Fuente: IEEE
• NERC PRC-005 — Describe los intervalos de mantenimiento para los componentes del sistema de protección. Fuente: NERC

El cumplimiento garantiza que los TC cumplan con las expectativas globales de precisión y con los requisitos de auditoría regulatoria.

Cálculos del diseño del núcleo

Los diseñadores calculan el área de la sección transversal del núcleo utilizando la densidad de flujo máxima permitida para el material elegido, teniendo en cuenta la corriente primaria, la relación de vueltas y la frecuencia. La densidad de flujo debe mantenerse por debajo del umbral de saturación en condiciones máximas de falla.

El voltaje del punto de rodilla se calcula a partir de las características del núcleo y la relación de vueltas, asegurando que los TC de protección mantengan la salida cuando los circuitos secundarios experimenten cargas elevadas. Los ingenieros también determinan la corriente de magnetización y las curvas de excitación para verificar la precisión dentro de las clases especificadas.

Consideraciones sobre Devanados y Carga

El diseño del devanado secundario implica la selección del calibre del conductor y el número de vueltas para lograr la relación deseada mientras soporta cargas térmicas. La resistencia del devanado y la reactancia de fuga contribuyen a la carga total y deben minimizarse.

Los cálculos de carga incluyen los dispositivos conectados—medidores, relevadores—más la resistencia de los conductores. La carga total debe permanecer por debajo del valor nominal para mantener la precisión. Algunos diseños incorporan múltiples devanados secundarios para circuitos separados de protección y medición.

Selección de Materiales del Núcleo y Devanado

Los transformadores de corriente de protección suelen utilizar acero al silicio orientado o materiales nanocristalinos por su alta densidad de flujo de saturación. Los transformadores de corriente de medición pueden usar aleaciones amorfas para mejorar la precisión a bajas corrientes. El aislamiento del devanado secundario utiliza hilo de cobre esmaltado, complementado con capas de epoxi, Mylar o Nomex según la clase de tensión.

El diseño mecánico incluye estructuras de soporte, bastidores de sujeción y encapsulado en resina para resistir las fuerzas de cortocircuito. Los transformadores de corriente para exteriores requieren carcasas resistentes a las condiciones climáticas, mientras que los destinados a interiores se integran con compartimentos de aparatos de maniobra.

Rendimiento térmico y mecánico

Los transformadores de corriente generan calor debido a las pérdidas en el cobre y a la histéresis del núcleo. El modelado térmico garantiza que el aumento de temperatura permanezca dentro de los límites establecidos por la norma IEC. Los diseñadores pueden utilizar carcasas de resina fundida o inmersas en aceite para disipar eficazmente el calor.

Las fuerzas de cortocircuito pueden superar varios kN, especialmente en aplicaciones de alta corriente. Los bastidores, soportes y aislamientos del transformador de corriente deben resistir tensiones mecánicas para evitar deformaciones o fallos en el aislamiento.

Pruebas y validación

Los transformadores de corriente prototipo pasan por pruebas rutinarias, de tipo y especiales: pruebas de precisión de relación, verificación de polaridad, pruebas de aislamiento, capacidad para soportar corriente en cortocircuito y mediciones de descargas parciales. Las curvas de excitación confirman el voltaje del punto de inflexión, mientras que las pruebas de elevación de temperatura validan el diseño térmico.

Herramientas de modelado digital, como el análisis por elementos finitos (FEA), ayudan a verificar la distribución del flujo magnético y las tensiones mecánicas antes de las pruebas físicas. Los laboratorios de Enwei Electric recopilan datos para certificar el cumplimiento con las especificaciones del cliente y las normas internacionales.

Lista de verificación para ingenieros en el diseño de transformadores de corriente

• Identificar la aplicación: protección, medición o combinada.
• Seleccionar el material del núcleo y determinar el área de sección transversal para evitar la saturación.
• Calcular la relación de espiras, el voltaje del punto de inflexión y la corriente de magnetización.
• Evaluar la carga incluyendo dispositivos conectados y cableado.
• Diseñar el aislamiento, la gestión térmica y los soportes mecánicos para el entorno de operación.
• Planificar las pruebas de validación según IEC 61869-2 e IEEE C57.13.

La experiencia en diseño de transformadores de corriente de Enwei Electric

Enwei Electric fabrica transformadores de corriente de media y baja tensión con relaciones personalizables, clases de precisión y sistemas de aislamiento. Explore las opciones de productos en https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. La integración con equipos de interruptores ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) y transformadores ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) garantiza un rendimiento cohesionado del sistema.

Preguntas frecuentes de ingeniería sobre el diseño de transformadores de corriente

¿Cómo se evita la saturación del TC durante fallas?

Diseñe para un alto voltaje de punto de rodilla seleccionando un material de núcleo adecuado, aumentando el número de vueltas y gestionando la carga para mantenerse dentro de los límites nominales.

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

Sí, con devanados secundarios dobles diseñados para diferentes clases de precisión, pero es necesario gestionar cuidadosamente la carga para evitar interferencias mutuas.

¿Qué soporte de diseño ofrece Enwei Electric?

Enwei Electric proporciona ingeniería de aplicaciones, selección de relaciones y pruebas de verificación para ofrecer TCs adaptados a requisitos de protección o medición.

Llamado a la acción: Diseñe TCs de precisión con Enwei Electric

Un diseño robusto del transformador de corriente es esencial para mediciones precisas y una protección confiable. Asóciese con Enwei Electric para obtener soluciones de TC diseñadas, pruebas y soporte de integración de sistemas. Comuníquese con Enwei Electric hoy mismo para acelerar su proyecto de diseño de transformadores de corriente.

Solicitudes de proyectos

Vea ejemplos de implementación del mundo real y resaltados de galería en los centros de productos de Enwei Electric:

• Soluciones de transformadores para proyectos de distribución e industriales.
• Portafolios de switchgear cubriendo salas de control de media y baja tensión.
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• Subestaciones Prefabricadas que integran transformadores, interruptores y paneles.