Transformador de tensión capacitivo (CVT) en AT y EAT

Qué es y dónde se ubica

El transformador de tensión capacitivo (CVT, por capacitor voltage transformer) es un transformador de medida que entrega a relés, medidores y equipos de control una tensión secundaria baja, proporcional a la tensión entre fase y tierra de la red. La norma que lo rige, IEC 61869-5, lo define para sistemas con tensión máxima del equipo de 72,5 kV en adelante, conectado entre línea y tierra.

En una bahía de línea de alta o extra alta tensión suele ir en la llegada de la línea, del lado de la línea respecto al interruptor y al seccionador. También se instala en barras para medida, sincronismo y protección diferencial de barras con supervisión de tensión. Cumple el mismo papel que el transformador de tensión (PT) inductivo, pero a estos niveles de tensión resulta más económico y, además, permite inyectar señales de onda portadora en la línea.

Partes principales

• Divisor capacitivo: columna de unidades de condensadores en serie, aisladas en papel o película impregnados en aceite, dentro de aisladores de porcelana o compuestos. Se divide en el condensador de alta tensión (C1) y el condensador de tensión intermedia (C2).
• Unidad electromagnética: en un tanque con aceite en la base, contiene el transformador inductivo intermedio, que baja la tensión intermedia a la tensión secundaria, y la reactancia de compensación.
• Circuito de supresión de ferrorresonancia, conectado normalmente a un devanado secundario.
• Devanados secundarios de medida y de protección, a veces con un devanado residual.
• Accesorios para onda portadora, cuando se usan: terminal de alta frecuencia, bobina de drenaje y dispositivo limitador de tensión (IEC 61869-5, cláusula 6.504).
• Caja de bornes secundarios con fusibles o miniaturas y la puesta a tierra.

Cómo funciona

El divisor reparte la tensión de fase: en bornes de C2 aparece una tensión intermedia igual a U·C1/(C1+C2). Visto desde la unidad electromagnética, el divisor se comporta como una fuente con una impedancia capacitiva equivalente a C1+C2 en paralelo. Si se conectara una carga sin más, la tensión caería con la corriente y con el ángulo de la carga.

La reactancia de compensación se sintoniza para que, a la frecuencia nominal, su reactancia inductiva cancele la capacitiva del divisor (resonancia serie: ω²·L·(C1+C2) = 1). Así la tensión intermedia queda casi independiente de la carga, y el transformador intermedio la reduce al valor secundario. Por eso la precisión del CVT depende de la frecuencia y de la estabilidad de las capacitancias con la temperatura.

Ese mismo circuito de condensadores e inductancias con núcleo de hierro es el origen de sus dos fenómenos propios:

• Ferrorresonancia. Tras una perturbación (por ejemplo, el despeje de un cortocircuito en el secundario o una maniobra), el núcleo del transformador intermedio puede saturarse y entrar en una oscilación sostenida con las capacitancias, a frecuencia fundamental o subarmónica. El circuito de supresión la amortigua; IEC 61869-5 (cláusula 6.502) exige comprobarlo.
• Respuesta transitoria. Cuando una falla hace caer la tensión primaria, la energía almacenada en los condensadores y en la reactancia se descarga a través de la carga y del circuito de supresión. Durante algunos ciclos la tensión secundaria contiene componentes de baja frecuencia que no existen en la primaria. Su magnitud depende del instante de la falla en la onda, de la capacitancia total, de la carga conectada y del tipo de circuito antiferrorresonancia. La norma define clases normalizadas de respuesta transitoria y su ensayo (cláusula 6.503).

El efecto práctico más conocido es sobre la protección de distancia 21. El relé ve una tensión menor que la real y calcula una impedancia más corta, de modo que la zona 1 puede operar para una falla hacia adelante fuera de su alcance. El problema crece con la relación de impedancias fuente/línea (SIR), porque para una falla en la barra remota la tensión en el relé ya es pequeña y cualquier error pesa más. Las soluciones son el filtrado y la lógica de seguridad del relé, un alcance más corto o una pequeña temporización, que en sistemas de SIR alto suele ser la medida más efectiva.

Variantes y diferencias con otros niveles

• Alta tensión: convive con el transformador de tensión inductivo. Cuando la medida para facturación o una mejor respuesta transitoria pesan más que el costo, la especificación puede preferir el inductivo.
• Extra alta tensión: el CVT es casi la regla. Las columnas tienen más unidades en serie y anillos de gradación.
• Condensador de acople: es la misma columna capacitiva sin unidad electromagnética; solo sirve para onda portadora.
• Media tensión y celdas: no se usan CVT; se usan PT inductivos o divisores de baja potencia, tratados en transformadores de medida no convencionales.

El artículo general del transformador de tensión compara ambos principios.

Valores nominales y placa

La placa de un CVT indica, entre otros datos, la tensión primaria y las secundarias nominales, la frecuencia, el factor de tensión nominal, la carga y la clase de precisión de cada devanado (medida y protección, como 3P o 6P), los niveles de aislamiento, las capacitancias nominales del divisor y, cuando aplica, la clase de respuesta transitoria y los datos de los accesorios de onda portadora. La capacitancia medida en sitio se compara con la de placa y con el protocolo de fábrica.

Integración con protección y control

En IEC 61850 el CVT se modela como el nodo lógico TVTR (transformador de tensión). En una subestación convencional sus secundarios van cableados a la protección de distancia, a la verificación de sincronismo, a los medidores y al controlador de bahía. En una subestación digital esos secundarios entran a una unidad de fusión (merging unit) que publica valores muestreados. Los relés deben tener habilitada la supervisión de pérdida de tensión para bloquear las funciones que dependen de ella si se abre un fusible secundario.

Cuando la línea usa onda portadora, el CVT es el elemento de acople junto con la bobina de bloqueo: la señal de alta frecuencia, en la banda de 30 kHz a 500 kHz que contempla IEC 61869-5, entra por el terminal de alta frecuencia, mientras la bobina de drenaje ofrece un camino de baja impedancia a tierra para la frecuencia industrial.

Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento

Dentro de las pruebas a transformadores de corriente y tensión, para el CVT se hacen:

• Capacitancia y factor de disipación (tan δ) de cada unidad o sección del divisor, con el método y las conexiones que indique el fabricante para no someter la unidad electromagnética a la tensión de prueba.
• Relación y polaridad de cada devanado secundario.
• Resistencia de aislamiento de los secundarios y de la unidad electromagnética.
• Carga real del circuito secundario, incluidos los cables.
• Verificación al energizar: magnitudes, ángulos y secuencia de fases en cada relé y medidor.
• Revisión del terminal de alta frecuencia, la bobina de drenaje y el limitador de tensión, y del estado de la puesta a tierra.

Fallas comunes y qué revisar primero

• Deriva lenta de la tensión de una fase: suele indicar elementos capacitivos perforados. Compare las tres fases y mida capacitancia y tan δ.
• Tensión secundaria distorsionada o con oscilaciones sostenidas: sospeche ferrorresonancia o un circuito de supresión dañado.
• Disparo de zona 1 para falla externa: revise el registro oscilográfico y la tensión en los primeros ciclos de la falla antes de culpar al ajuste.
• Pérdida de una fase en el relé: fusible o miniatura secundaria abierta.
• Fugas de aceite en la unidad electromagnética o en las unidades capacitivas.

Pruebas y puesta en servicio con Tiza Group

En Tiza Group probamos transformadores de tensión capacitivos de alta y extra alta tensión y verificamos sus circuitos secundarios con las protecciones de línea, en subestaciones e industria. Cuéntenos de su proyecto y le proponemos el plan de pruebas.

Referencias

• IEC 61869-1, Transformadores de medida: requisitos generales.
• IEC 61869-5, Requisitos adicionales para transformadores de tensión capacitivos.
• IEC 60358, Condensadores de acople y divisores capacitivos.
• IEC 60481, Dispositivos de acople para sistemas de onda portadora.
• IEC 61850-7-4, Clases de nodos lógicos compatibles.
• Blackburn y Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes