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TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS Su función principal es alimentar los instrumentos de medición y protección que operen en bajo voltaje y que toman las señales de alto voltaje Este tipo de transformadores manejan con precisión las señales de corriente o señales de voltaje. Cuando se maneja una señal de voltaje son llamados transformadores de potencial Cuando se maneja una señal de corriente son llamados transformadores de corriente De acuerdo a las normas americanas la corriente del lado de baja debe ser de 5 amperes secundarios y de acuerdo a las normas europeas es 1 ampere secundario Para los transformadores de potencial se tiene que sus voltajes normalizados son 120 voltios y 240 voltios

Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE El transformador de corriente es el encargado de tomar la señal de corriente del sistema y reflejarlo al lado secundario para brindar la señal adecuada a los equipos de medición y protección que se tengan conectados en el lado secundario de este transformador de corriente. Este transformador se encuentra conectado en serie con el circuito de potencia de alto voltaje. Los transformadores de corriente pueden alimentar instrumentos de medición o de protección. Las diferencias en las aplicaciones se hacen en base a la precisión requerida, las características más relevantes son: - Relación de transformación - Designación y clase de precisión - Número de devanados - Carga o burden Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

CIRCUITO EQUIVALENTE El circuito equivalente del TC se lo puede representar como se muestra en la siguiente figura.

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SATURACIÓN EN LOS TC’S Los errores que se pueden dar en los TC’s se debe a la corriente de excitación de los mismos La corriente de magnetización de un TC depende de la sección y longitud del circuito magnético, del número de vueltas en el devanado y de las características magnéticas del material. En la siguiente figura se muestra la curva de saturación de los TC’s

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CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS TC’S  En un margén amplio de variación de la carga en el secundario (burden), la corriente secundaria no sufre cambios apreciables  El circuito secundario de un tc no debe ser abierto si el primario se halla energizado.  Los errores de relación y ángulo de fase puede calcularse fácilmente si la característica de magnetización y la impedancia de carga son conocidas.

TIPOS DE CONSTRUCCIÓN DE LOS TC’S DESDE EL PUNTO DE VISTA ELÉCTRICO  TC con varios núcleos  Primario de relación serie paralelo  Secundario de relación múltiple o multirelación

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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

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VALORES NOMINALES Corrientes primarias nominales: en el devanado primario las corrientes se normalizan por rangos de corriente, algunos rangos de corriente primaria en amperios son: 50

200

500

1 000

2 000

100

300

600

1 200

2 500

150

400

800

1 500

3 500

4 000

Corrientes secundarias nominales: los valores nominales son 1 o 5 a siendo el valor de 5 a el más común. En caso de extra alto voltaje se prefiere usar 1 a en grandes longitudes de cable, uso de equipos de control y protección basado en microelectrónica. Burden: es la carga conectada al circuito secundario del tc. Para determinar el burden es necesario correlacionar la potencia total en va o bien la impedancia en [Ω] con el factor de potencia Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

VALORES NOMINALES Valores normalizados dados por la norma ANSI/IEEE C57.13 son los siguientes BURDEN

DESIGNACIÓN DEL BURDEN

Z [Ω]

V-A a 5A

f.p

PARA MEDICIÓN

B – 0.1 B – 0.2 B – 0.5 B – 0.9 B – 1.8

0.1 0.2 0.5 0.9 1.8

2.5 5.0 12.5 22.5 45.0

0.9 0.9 0.9 0.9 0.9

PARA PROTECCIÓN

B–1 B–2 B–4 B–8

1.0 2.0 4.0 8.0

25.0 50.0 100.0 200.0

0.5 0.5 0.5 0.5

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VALORES NOMINALES Precisión.- Los TC’s operan bajo el principio de inducción electromagnética y dependiendo de su diseño tienen distintos núcleo con diferentes valores de flujo disperso, además por variaciones pequeñas en las espiras al momento de su construcción existen pequeñas variaciones en la relación de transformación, por este motivo existen los siguientes errores .  El error en la relación de transformación  Error de ángulo de fase Estos dos tipos de errores determinan la precisión Precisión en tc para medición. La clase de precisión para estos TC’s es designada por el más alto % de error de corriente a la corriente nominal; las clases de exactitud son: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3 y 5. Para las clases 0.1 a 1 el error de corriente y desplazamiento de fase a 60 Hz no debe exceder los valores de la tabla 4.3 cuando la carga esta entre el 25% y el 100% de la carga nominal. Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

VALORES NOMINALES Para las clases 3 y 5 el error de corriente y desplazamiento de fase a 60 Hz, no debe exceder los valores de la tabla 4.4 cuando la carga secundaria esta entre el 50% y el 100% de la carga nominal.

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VALORES NOMINALES

: Relación de transformación nominal : Corriente primaria real : Corriente secundaria real cuando fluye Desplazamiento de fase: ∡ - ∡ Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

PRECISIÓN EN TC PARA PROTECCIÓN. La clase de precisión está dada por el más alto % de error compuesto permitido a la ip. El valor máximo de corriente que debe soportar un tc se conoce factor límite de exactitud y se puede expresar en amperios primarios o amperios secundarios. Los TC’s para protección deben responder a las condiciones de falla y portante, sus límites de exactitud se deben mantener en valores razonables dentro de una amplia gama de corriente, varias veces a la corriente nominal.

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LAS CLASE DE PRECISIÓN NORMALIZADA SON: 5p Y 10p

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EJEMPLO DATOS DE LA CARGA EQUIPOS

l= 90m

[VA]

FACTOR DE POTENCIA

AMPERÍMETRO (AM)

2.0

1.0

RELEVADOR 87

3.0

0.5

WATTÍMETRO (WM)

5.0

0.6

WATTHORÍMETRO (WMH)

10.0

0.7

VARÍMETRO (VAR)

5.0

0.3

Las características del conductor son R= 0.0038 Ω/m

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El TC debe tener una relación de transformación (RTC) = 300/5

La potencia que consume el conductor es: Los Watts del relevador son: Los VAR del relevador son:   Los VA totales son: El factor de potencia de la carga es: El TC elegido es: B – 0.5 Para el lado de bajo voltaje del relevador El TC debe tener una relación de   transformación (RTC) = 2500/5 Los demás datos del relevador son los mismos por lo que el TC elegido es: B – 0.5 Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

Para el lado de los instrumentos de medida

 

El TC debe tener una relación de transformación (RTC) = 2500/5

La potencia que consume el conductor es: La potencia de los equipos de medición son: La potencia reactiva de los equipos de medición son: WAM= 0 var WAM= 2 W WWH= 3 W WWH= 3.995 var WVAR= 1.5 W WVAR= 4.7695 var WWHM= 7 W WWHM= 7.141 var La Potencia total es= 27.18 VA El factor de potencia= 0.811 El TC elegido es: B – 1.8

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) Los TP’s son diseñados para que las caídas de voltaje en los devanados sean pequeñas y la densidad de flujo en el núcleo este por debajo del valor de saturación así que la corriente de magnetización es pequeña. El voltaje secundario es de 115 o 120 voltios con los valores línea – neutro correspondiente

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CARACTERÍSTICAS GENERALES  Aislar el circuito secundario (baja tensión) del circuito primario (alta tensión).  Reproducir lo más fielmente posible en el circuito secundario los efectos transitorios y de régimen permanente aplicados al circuito primario.  Entregar en el secundario, un voltaje proporcional al voltaje primario a una potencia máxima dada en va y dentro de ciertos errores límites especificados.  El devanado primario se conecta en paralelo con el sistema en conexión fase-fase para tensiones menores de 34.5 kv; para tensiones mayores es fase-tierra según las necesidades.

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CIRCUITO EQUIVALENTE Y DIAGRAMA VECTORIAL

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TRANSFORMADORES POTENCIAL CAPACITIVO En general, el tamaño de un TP inductivo es proporcional a su voltaje nominal y por esta razón, el costo aumenta de una manera similar a la de un transformador de alto voltaje. Una alternativa más económica es usar un transformador de voltaje capacitivo. Se trata de un divisor de voltaje capacitivo en el que el voltaje de salida en el punto de conexión es afectado por la carga. (En efecto, las dos partes del divisor tomadas juntas pueden ser consideradas como una impedancia fuente que produce una caída en el voltaje cuando la carga es conectada.

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CIRCUITO EQUIVALENTE

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DIAGRAMA VECTORIAL

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PRINCIPALES REQUISITOS    

Niveles de aislamiento (iguales a los de los TC’s). Tensión máxima fase-fase de equipo (igual a tensión máxima del sistema). Tensión nominal primaria del equipo (fase-tierra) (igual Vmax fase-tierra). Frecuencia nominal: 60 Hz. SEGÚN IEC

TENSIÓN NOMINAL SECUNDARIA

100 Y 110 V 120 V CIRCUITOS LARGOS 120 V PARA Vm ≤ 34.5 kV

SEGÚN ANSI

115 V PARA Vm > 34.5 kV 230 V CIRCUITOS LARGOS

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BURDEN CARGAS NORMALES DESIGN W X Y Z ZZ

VA 12.5 25.0 75.0 200.0 400.0

f.p. 0.1 0.7 0,85 0.85 0.85

CARACTERISTICAS 120V 60Hz R [  ] L [H] Z [  ] 115.2 3.042 1152 403.2 1.092 576 163.2 0.268 192 61.2 0.101 72 30.6 0.0554 36

PRECISIÓN PARA MEDICION NORMA IEC CLASE 0.1 0.2 0.5 1.0 3.0

RELACIO DE VOLTAJE % +/- 0.1 +/- 0.2 +/- 0.5 +/- 1.0 +/- 3.0

ANGULO FASE MIN

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+/- 5 +/- 10 +/- 20 +/- 40 -

CARACTERISTICAS 69.3V 60 Hz R [  ] L [H] Z [  ] 38.4 1.014 384 134.4 0.364 192 54.4 0.0894 64 20.4 0.336 24 10.2 0.0168 12

PRECISIÓN PARA PROTECCION NORMA IEC CLASE 3P 6P

RELACION DE VOLTAJE % +/- 3.0 +/- 6.0

ANGULO FASE MIN +/- 120 +/- 240

CONEXIONES EN TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Los transformadores trifásicos pueden ser conectados de diferentes formas, estas conexiones provocan un desfase entre el lado de alto voltaje y el de bajo voltaje. De acuerdo a las normas ANSI, requiere que las conexiones de los transformadores, Y-  & -Y, sean tales que el voltaje al neutro de secuencia positiva, sobre el lado de alto voltaje, adelante al voltaje al neutro de secuencia positiva, sobre el lado de bajo voltaje en 30° NOMENCLATURA UTILIZADA La siguiente nomenclatura es la utilizada para indicar la conexión en transformadores trifásicos Een Donde: E: Representa la conexión sea estrella (Y) o delta (D) en el lado de alto voltaje e: Representa la conexión, sea estrella (y) o delta (d) en el lado de bajo voltaje n: Índice de desfase entre los voltajes del lado de alta y de baja. Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

CONEXIONES EN TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Para determinar el índice de desfase, simplemente basta dividir el ángulo ø para 30° como se muestra a continuación. Si ø = 150º 

n

= 150º/30° = 5

VA: Voltaje de fase inducida en el lado de alta tensión Va: Voltaje de fase inducida en el lado de baja tensión

VA

Si

n

= 11  ø = 11x30º = 330º

VA: Voltaje de fase inducida en el lado Va de alta tensión

150º Va

Yd1: Devanado de Alto Voltaje conectado en Estrella

Va: Voltaje de fase inducida en el lado de baja tensión

VA

330º

Dy7: Devanado de Alto Voltaje conectado en Delta

Devanado de Bajo Voltaje conectado en Delta

Devanado de Bajo Voltaje conectado en Estrella

Desfase entre los voltajes de fase de Alta y Baja de 30°

Desfase entre los voltajes de fase de Alta y Baja de 210°

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CONEXIONES NORMALIZADAS Dd0

Yy0

Dy1

Yd1

Dz0

Yz1

Dd2

Yy6

Dy5

Yd5

Dz2

Yz5

Dd4

Dy7

Yd7

Dz4

Yz7

Dd6

Dy11

Yd11

Dz6

Yz11

Dd8

Dz8

Dd10

Dz10

Yz11: Devanado de Alto Voltaje conectado en Estrella Devanado de Bajo Voltaje conectado en Zig-Zag Desfase entre los voltajes de fase de Alta y Baja de 330° Dz6: Devanado de Alto Voltaje conectado en Delta Devanado de Bajo Voltaje conectado en Zig-Zag Desfase entre los voltajes de fase de Alta y Baja de 180°

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REPRESENTACIÓN DE DEVANADOS A

B

a

X

x b

X

A

a

x

Y

B

b

y

Z

C

c

z

Diagrama ICONTEC

C

Y

y c

Z

z

Símil de transformadores monofásicos Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

A

B

C

a

b

c

X

Y

Z

x

y

z

Símil de devanados trifásicos

El símbolo indica la polaridad relativa de las tensiones en los devanados. (aunque en el diagrama ICONTEC no se muestra, se entiende en la posición ilustrada)

Las letras mayúsculas identifican los devanados de alta tensión.

REPRESENTACIÓN DE DEVANADOS A

X B

a

X

A

a

x’ a’

x

x’ a’

Y

B

b

y’ b’

y

Z

C

c

z’ c’

z

x b y’ b’

C

Y

y c z’ c’

Z

z

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Diagrama ICONTEC para devanados en Zig-Zag

Los transformadores para conexión en Zig-Zag cuentan con dos devanados por fase del lado de bajo voltaje. Símil de transformadores Monofásicos conjunto de devanados en Zig-Zag

para

SECUENCIA DE FASES POSITIVA ABC A

VA VCA 120°

120°

VC

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VB

C

VAB

VAn VCn

120°

VAB

n

VBn

VBC

B

VCA

VBC

SECUENCIA DE FASES NEGATIVO CBA VA

VA VAB 120°

VB

120°

120°

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VC

VB

VAn VBn

n VBC

VBA VCA VCn

VC V CB

VAC

CARACTERÍSTICAS DE LAS CONEXIONES  El desfase de alta y baja se calcula sobre la misma fase (p. Ej. Va , va).  En los transformadores monofásicos, las tensiones de alta y baja están en fase o desfasados 180°  Cuando están conectados en estrella, los devanados llevan la tensión de fase.  Cuando están conectados en delta, los devanados llevan la tensión de línea. El flujo común de los bobinados primario y secundario, tanto en un transformador monofásico como en una columna de un transformador trifásico, determina en ellos unas fuerzas electromotrices de la misma dirección y sentido (proporcionales a sus respectivas espiras). Esto se puede observar en la figura 1.

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CARACTERÍSTICAS DE LAS CONEXIONES  El desfase de alta y baja se calcula sobre la misma fase (p. Ej. VA , va).  En los transformadores monofásicos, las tensiones de alta y baja están en fase o desfasados 180°  Cuando están conectados en estrella, los devanados llevan el voltaje de fase.  Cuando están conectados en delta, los devanados llevan el voltaje de línea. El flujo común de los bobinados primario y secundario, tanto en un transformador monofásico como en una columna de un transformador trifásico, determina en ellos unas fuerzas electromotrices de la misma dirección y sentido (proporcionales a sus respectivas espiras). Xx Esto se puede observar en la figura 1. a A

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PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LAS CONEXIONES  Para las conexiones Yd1 y Yd11 se deben cortocircuitar en la Y los terminales XYZ  Para la conexión Yd5 y Yd7 se deben cortocircuitar en la Y los terminales ABC  Para las conexiones Dy1 y Dy11 se deben cortocircuitar en la y los terminales xyz  Para la conexión Dy5 y Dy7 se deben cortocircuitar en la Y los terminales abc A

B

C

a

b

c

X

Y

Z

x

y

z

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PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LAS CONEXIONES CONEXIONES Y- A

C

ZX Y

a

330°

BC

X

Z

CA B

A

c b

A b B

a

30°a

C

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Z

BC

C A

c

y

a

A

Y

B

CC

x

30 °

b c B C

c

z B

a

b A

A 210°

150°

b

A

a

330°

B

b X

c Y

A

c

X 210°

YZ

CONEXIONES -Y

z

y

150 °

C

B

x

B

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LAS CONEXIONES VA

A

30º

   

Va

X

B

Y

i C= 1:

a

Z

x

Ubicar los fasores de la Y, para este caso se cortocircuita los terminales XYZ. Dibujar los fasores del lado de bajo voltaje con el desfase indicado. Unir los fasores del lado de baja que se encuentra en delta. Identificar el terminal x del lado de c baja teniendo en cuenta que AX debe Coincidir con ax

C

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ángulo entre tensiones de fase de alta y baja f = 1x30º = 30º b

c

y

z

Y: Conexión devanados de alta en estrella. La tensión del diagrama de conexiones es la tensión de fase VA del diagrama fasorial. d: Conexión devanados de baja en delta. La tensión indicada en el devanado de baja es de línea.

Hay que identificar una tensión de línea del lado de baja que esté en fase con VA y que sea generada por la tensión Va desfasada 30º, teniendo en cuenta la secuencia de fases especificada (ABC).  Finalmente en el bobinado

A 30°

A

a

B b

X Y Z C

B

en delta se conecta tal como se muestra en la delta formada, se debe unir las letras que coinciden en el mismo punto. Para determinar el tipo de conexión se realiza el proceso inverso.

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LAS CONEXIONES i = 5: ángulo entre tensiones de fase de alta y baja f = 5x30º = 150º

VA

A

B

C

a

c

b

150º

Va    

X

Y

Z

x

Ubicar los fasores de la Delta, para este caso se los ubica como se muestra en la figura. Dibujar los fasores del lado de bajo voltaje con el desfase indicado, para este caso en se cortocircuita abc. y Unir los fasores de la Delta (Lado de Alto Voltaje). Identificar el terminal X del lado de alta C teniendo en cuenta que AX debe Coincidir con ax

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y

D: Conexión devanados de alta en delta. La tensión del diagrama de conexiones es una tensión de línea entre cualquiera dos fases y A. y: Conexión devanados de baja en estrella. La tensión indicada en el devanado de baja es una tensión de fase (que puede ser Va o -Va) z Se busca la tensión de línea del lado de alta que esté en fase con la tensión de fase Va teniendo en cuenta la secuencia de fases especificada (ABC). z

A

y

z

(-Va)

150°

x B

Va VAB

VBA

b ac x

Finalmente en el bobinado en Delta se conecta tal como se muestra en la figura, se debe unir las letras que coinciden en el mismo punto. Para determinar el tipo de conexión se realiza el proceso inverso.

PROTECCIÓN DIFERENCIAL La Protección diferencial es un relevador que utiliza dos señales para su operación, básicamente este relevador opera cuando existe una diferencia escalar o vectorial entre las dos magnitudes eléctricas iguales. Este relevador se lo utiliza básicamente en Transformadores, Generadores y Barras de la Subestaciones. En el siguiente esquema se muestra la conexión típica de esta protección. En el arreglo se puede notar que existen dos TC’s, en este caso la señal que se toma es de corriente, el elemento interno es el protegido.

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL Para notar el funcionamiento se analiza la ocurrencia de una falla externa o suministro de energía a una carga fuera de la zona de protección del relevador.

I’

I’

Teniendo en consideración el sentido de la corriente, que los dos TC’s sean de iguales características y la conexión de los mismos sea adecuados, se puede decir que la corriente que circula por el relevador 87 es cero o muy pequeña. Id= I’- I’ Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

PROTECCIÓN DIFERENCIAL De igual manera se puede considerar que existe una falla interna.

I’1

I’2

Teniendo en consideración el sentido de la corriente, que los dos TC’s sean de iguales características y la conexión de los mismos sea adecuados, se puede decir que la corriente que circula por el relevador 87 no es cero. Id= I’1+ I’2 Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

PROTECCIÓN DIFERENCIAL De lo evidenciado se puede concluir que esta protección opera solamente para fallas que ocurran dentro del sistema, en otras palabras la protección diferencial protege solamente contra fallas internas. Sin embargo esta configuración estudiada depende que las corrientes comparadas sean similares, esto no siempre sucede, a continuación se listan situaciones por la que se pueden tener diferentes corrientes en el secundario de los TC’s. Corrientes de magnetización de Inrush Sympathetic Inrush Variación de corrientes debido a cambios de taps (OLTC) Diferencia de TC’s en el lado de alto y bajo voltaje de un transformador Saturación de los TC’S

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL CON CARACTERÍSTICAS DE PORCENTAJE VARIABLE De acuerdo a lo mencionado no se puede trabajar directamente con el esquema analizado anteriormente, por este motivo a este esquema se le añade unas bobinas de restricción que evitan una operación indebida de la protección.

El principio de funcionamiento de este esquema es similar al anterior y se basa de igual manera en la comparación de dos señales, la diferencia radica que la operación de este esquema se basa en una pendiente de operación Ing. Xavier Alfonso Proaño Maldonado. Mg. C

PROTECCIÓN DIFERENCIAL CON CARACTERÍSTICAS DE PORCENTAJE VARIABLE Del gráfico se puede indicar que la corriente diferencial para una falla externa o corriente de carga sigue siendo I1-I2, el elemento adicional, las bobinas de restricción son directamente proporcional a: puesto que la bobina de operación se encuentra conectada en el punto medio de operación. La pendiente de operación se la obtiene al relacionar la corriente diferencial de operación y la corriente de restricción, y este valor se lo expresa en porcentaje Al momento de una falla externa sucede que el torque impuesto por la bobina de restricción (corriente de restricción) es elevado, mientras que el de la bobina de operación (corriente diferencial) es bajo, esto da un valor de pendiente bajo para el cuál no opera el relevador, lo contrario sucede cuando ocurre una falla interna

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL CON CARACTERÍSTICAS DE PORCENTAJE VARIABLE En la siguiente figura se muestra la relación mencionada anteriormente.

α

La pendiente m estaría expresada por: tan(α)=

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL CON CARACTERÍSTICAS DE PORCENTAJE VARIABLE El porcentaje al que se calibra esta protección varía según el uso que se le vaya a dar y puede ser de 10, 15, 30 o 45 porciento. Los dos primeros valores 10 y 15% son utilizados generalmente en protecciones diferenciales de generadores dado que los TC’s son de la misma relación y solo necesitan compensar el porcentaje de error de dichos TC’s. Los porcentajes de 30 y 45% se utilizan en para la protección de transformadores debido a la necesidad de compensar, las diferencias en las corrientes secundarias ocasionadas por el cambio de taps del transformador de potencia y por diferencia de relación de los TC’s del lado de bajo y alto voltaje.

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL CON CARACTERÍSTICAS DE PORCENTAJE VARIABLE Indique cuál es la corriente que ve la bobina de operación de la protección diferencial en el transformador, los TC’s son 1400/5 para el lado de bajo voltaje y 800/5 para el lado de alto voltaje 1350

675 Transformador

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL CON CARACTERÍSTICAS DE PORCENTAJE VARIABLE En la siguiente figura, se muestra un relevador diferencial porcentual usado para la protección del devanado de un generador. El relevador tiene una corriente de arranque mínima de 0.2 amperes y tiene una pendiente del 10%. Si las corrientes son las mostradas en la figura, determine si la protección diferencial opera. Considere que los TC’s son de relación 400/5 360+j0

320+j0 Equipo Protegido

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