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• JavierHernandez

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Transformadores de medida Son los que se emplean para alimentar circuitos que tienen instrumentos de medición o protección, su uso se hace necesario en las redes de alta tensión donde se requiere reducir los valores de voltaje y corriente a cantidades manejables por los instrumentos. CT Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Los valores nominales de los transformadores de corriente se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser 600 / 5, 800 / 5, 1000 / 5. Los valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 A y 1 A. El primario de estos transformadores se conecta en serie con la carga, y la carga de este transformador está constituida solamente por la impedancia del circuito que se conecta a él.

CIRCUITO EQUIVALENTE Refiriéndonos al diagrama que se muestra y haciendo las siguientes consideraciones: Figura 1. Diagrama equivalente del Transformador de corriente o TC.

En el diagrama: ZH = Impedancia propia del devanado de alta tensión. ZL = Impedancia propia del devanado de baja tensión. ZM = Impedancia de magnetización del transformador. ZC = Impedancia de carga en el secundario. IH = Corriente primaria. IL = Corriente que alimenta a la carga. IM = Corriente de magnetización. 1: N = Relación de transformación “RTC”.

Consideraciones: -

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El devanado primario está conectado en serie con la línea o alimentador, por lo que la corriente primaria IH es la misma de la línea y la impedancia ZH es lo suficientemente pequeña que puede ser despreciada. La impedancia de carga ZC es la resultante de la conexión en serie de las bobinas de corriente de los equipos de protección y medición que el “TC” debe alimentar, esta tendrá siempre una magnitud pequeña para ofrecer una oposición mínima al paso de corriente y no sacar al “TC” de sus características de diseño.

Grafico

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transformador de corriente de medición: utilizado para adecuar los niveles de corriente al alcance de los instrumentos de medida, y/o aislarlos de la red. transformador de corriente de protección: utilizado para adecuar los niveles de corriente o tensión, a los valores nominales de las protecciones eléctricas de la red o equipos de registros transitorios, y/o aislarlos de la red. Exclusivamente utilizados para éste fin. No usados para medición.

Aprovechado la característica de saturación de los materiales magnéticos se puede definir el límite superior de la corriente secundaria. El comportamientos de los núcleos magnéticos para TI de medición y protección se muestran en la figura Para un mismo valor de corriente de cortocircuito (I1SC) se observa que en el caso del núcleo de TI de medición la corriente secundaria que se obtiene es mucho menor que el caso de un núcleo de TI de protección. Normalmente el rango de trabajo de un TI con núcleo para medición es de 0,05.IN £ I £ 1,2.IN, siendo el límite superior el nivel de sobrecarga permanente. En el caso de un TI de protección, el rango de trabajo puede alcanzar hasta 30.IN.

(OPCIONAL)

- Condiciones de operación del Transformador de Corriente “TC”:  Condiciones de operación normal. Bajo condiciones normales de operación, la corriente secundaria será 1/N veces la corriente primaria del “TC” y su diagrama vectorial de operación será aproximadamente el siguiente:

Esto también se puede entender si nos enfocamos en el nodo “c” de la figura 1, como ya sabemos el primario es conectado abriendo el circuito del cual se tomara la muestra de corriente teniendo así la corriente IH, que al ser reflejada al lado secundario por la misma relación de transformación del transformador 1:N se tiene a nivel secundario IH/N, esta es la corriente que entra al nodo “c”, si observamos hay dos corrientes que salen del mismo nodo, las cuales son IL y IM, por lo cual estas corrientes se relacionan vectorialmente como:

Donde el error de relación que representan la corriente de magnetización IM y el ángulo �son despreciables, en la figura 2 han sido exagerados para poder ser observados, es decir que bajo condiciones normales de operación la corriente IH/N es prácticamente la misma corriente IL debido a que el desfasamiento � entre ambas es despreciable y la corriente de magnetización es muy pequeña. -

Condiciones anormales de operación.

La capacidad de transferencia de energía entre el circuito primario y el secundario, depende de las características de diseño y construcción del “TC”, como son: La capacidad de sus conductores, el nivel máximo de voltaje que debe soportar el “TC” entre espiras y las características magnéticas de su núcleo. Como sabemos en todo material magnético la permeabilidad se puede suponer como una función lineal de la densidad de flujo para determinados valores de esta ultima y que rebasando este rango de valores, varía en forma no lineal

haciendo tender la densidad a un máximo dado por las características propias del material. En el análisis que sigue representaremos este efecto considerando la impedancia de magnetización ZM como constante para los valores de transferencia de energía que están dentro de las características de diseño y disminuyendo no linealmente para valores fuera de los mismos, logrando un efecto similar al observado en el comportamiento real del “TC”.

Como ya sabemos la curva de histéresis nos muestra para determinados materiales magnéticos utilizados en los núcleos de los transformadores los niveles de flujo magnético máximo a que estos pueden llegar, así como el nivel de flujo magnético en el cual el núcleo está saturado (en la figura 3 es el punto b) y nos muestra el comportamiento del circuito magnético ante una señal de corriente alterna, lo cual es de mucha utilidad para los transformadores de corriente, debido a que estos utilizan estos parámetros para poder ser diseñados. Ahora para poder entender con mayor detalle la siguiente parte es de definir un concepto fundamental para el siguiente análisis el cual es la corriente de magnetización IM la cual es la corriente requerida para producir flujo magnético en el núcleo del transformador, es decir que si esta corriente aumenta también se incrementa el flujo magnético del transformador lo cual provocaría efectos que podrían poner en peligro al “TC” debido a que a mayor flujo magnético puede haber mayor inducción de voltaje en el secundario ysobrepasar los límites de tensión previamente calculados por el fabricante, así también si esta corriente es llevada a niveles demasiado altos puede sobre saturar el núcleo lo cual provocaría que este se caliente y traiga consigo mas perdidas lo cual provocaría que los niveles de corriente ya no estarían

relacionados con la relación de transformación, estos efectos se verán mas a detalle en la siguiente parte donde se analizan diversos casos de operación anormal del transformador de corriente.

Observemos que pasa en el “TC” para los siguientes tres casos: 1) La corriente primaria es demasiado grande. 2) La impedancia de carga es demasiado grande. 3) El circuito secundario está abierto.

1. La corriente primaria es demasiado grande. Cuando la corriente primaria IH crece, la corriente IH/N secundaria será proporcionalmente más grande. Supongamos que la corriente del primario IH es mayor a la especificada en el diseño del “TC”, las corrientes secundarias IM de magnetización e IL corriente que alimenta la carga, crecerán también esto debido a la relación vista anteriormente al analizar el nodo “c” del circuito equivalente del transformador. Al crecer IM la excitación del núcleo será mayor y como lo habíamos dicho, el efecto que se presentara será similar a la disminución de ZM provocando un crecimiento mayor de IMque de IL, y así un incremento en el error de relación de transformación y en el ángulo de desfase como se puede observar en el diagrama fasorial de la figura 4.

Efectos del incremento de la IM en el transformador: -

Los parámetros que establece el fabricante del TC cambian. El núcleo se satura. Se reduce la vida útil del transformador.

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El núcleo se sobrecalienta. El ángulo de desfase entre corriente primaria y secundaria es totalmente diferente debido a que IM ya no se desprecia como antes.

2. La impedancia de carga es demasiado grande. Cuando la carga ZC tiene una magnitud mayor a la que el “TC” puede alimentar el voltaje entre las terminales cd de la figura 1, será mayor para un valor de IH que el transformador normalmente debe soportar sin problemas, al ser mayor Vcd, la corriente de magnetización IM crecerá logrando un efecto similar al anterior. Por lo cual ZC debe ser pequeña según el diseño del TC, ya que es la que alimenta la conexión serie de las bobinas de corriente de equipos de protección y medición, si ZCsobrepasa lo que el TC soporta la corriente de carga disminuye por ende la corriente de magnetización aumenta debido a que la corriente del primario se mantiene constante, lo que provoca el aumento del flujo magnético y las mismas consecuencias vistas anteriormente por el incremento de IM. 3. El circuito secundario está abierto. Cuando el circuito secundario está abierto, toda la corriente primaria servirá para magnetizar el núcleo, provocando que el voltaje secundario crezca hasta un valor dado por:

Que normalmente es lo suficientemente grande para provocar la ruptura del aislamiento entre espigas y algunas veces, la explosión del “TC”. Si la excitación del núcleo dada por IM es grande y varia en forma repentina, como lo puede ocasionar una corriente de falla elevada, el núcleo puede quedar magnetizado y provocar errores de relación aun dentro de los valores especificados para el “TC”. Es decir que si se conecta el “TC” solo en el primario y se deja sin conectar en el secundario esto ocasionaría que toda la corriente reflejada del primario al secundario alimente a ZM lo cual es malo debido a que toda la corriente IH/N se convertiría en la corriente de magnetización IM elevando muchísimo el flujo magnético e induciendo así una grandísima cantidad de tensión en ZM lo cual provocaría que los aisladores del “TC” no soporten tal nivel de tensión y entren en ruptura lo cual podría provocar que el “TC” llegase a explotar.

VALORES NORMALIZADOS REVISAR: http://www.sencamer.gob.ve/sencamer/normas/2140-97.pdf

TIPOS DE CT Según su construcción Existen tres tipos de TC según su construcción: a. Tipo devanado primario: este como su nombre lo indica tiene más de una vuelta en el primario, los devanados primario y secundario están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado, esta construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.10 b. Tipo barra: los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado, el devanado primario consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo. c. Tipo boquilla o Bushing: el devanado secundario está completamente aislado y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado. El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.

Tipos de transformadores según su aplicación. Los transformadores de corriente pueden ser de medición, de protección, mixtos o combinados. a. Transformador de medición: son los transformadores cuya función es medir, requieren reproducir fielmente la magnitud y el ángulo de fase de la corriente, su precisión debe garantizarse desde una pequeña fracción de corriente nominal del orden del 10% hasta un exceso de corriente del orden del 20%, sobre el valor nominal. b. Transformador de protección: son los transformadores cuya función es proteger un circuito, requieren conservar su fidelidad hasta un valor de veinte veces la magnitud de la corriente nominal, cuando se trata de grandes redes con altas corrientes puede ser necesario requerir 30 veces la corriente nominal. c. Transformadores mixtos: en este caso, los transformadores se diseñan para una combinación de los dos casos anteriores, un circuito con el núcleo de alta precisión para los circuitos de medición, y uno o dos circuitos más, con sus núcleos adecuados para los circuitos de protección. d. Transformadores combinados: son aparatos que bajo una misma cubierta albergan un transformador de corriente y otro de tensión, mayormente usados en estaciones de intemperie fundamentalmente para reducir espacios.

Tipos de transformadores según su uso Interno y externo. La construcción del transformador se adecuara dependiendo de las condiciones climáticas, temperaturas y otros factores del sitio en donde trabajara el transformador

CLASES DE PRECISION La clase de precisión de un transformador de intensidad para medida, está caracterizada por un número (índice de clase) que es el límite del error de relación, expresado en tanto por ciento para la intensidad nominal primaria estando alimentando el transformador la “carga de precisión”. Las clases de precisión de los transformadores de intensidad para medida son: 0,1, 0,2, 0,5, 1 y 3.

Otra definición Los transformadores de corriente para medida son aquellos especialmente concebidos para alimentar equipos de medición, siendo una de sus características fundamentales el hecho de que deben ser exactos en las condiciones nominales de servicio. El grado de exactitud de un transformador de medida se mide por su clase o precisión, la cual nos indica en tanto porciento el error máximo que se comete en la medida. La norma IEC especifica que la clase o precisión debe mantenerse siempre y cuando la corriente que circula por el arrollamiento primario se encuentre por debajo del 120% de la corriente primaria nominal, debiendo también mantenerse dicha precisión cuando la carga conectada al secundario del transformador este comprendida entre el 25% y el 100% de la carga nominal. La siguiente tabla muestra la precisión en transformadores de corriente para distintos valores porcentuales de carga en circuito secundario

Valores nominales venezolanos revisar http://www.sencamer.gob.ve/sencamer/normas/2142-97.pdf

ERROR 

Error de relación (eREL) : error introducido en la medición por el apartamiento, para distintos valores de corriente, de la relación entre corrientes primarias y secundarias (KI = I1/I2) de la relación nominal KIN. Se define en forma relativa :

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error de fase (eFASE) : error introducido en la medición por la aparición, para distintos valores de corriente, de una diferencia b de fase entre la corriente secundaria con respecto a la primaria

SELECCIÓN

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Tipo de instalación: si es de interior o intemperie. Se deberá tener en cuenta la altitud para alturas superiores a 1.000 metros sobre el nivel del mar. Nivel de aislamiento: definido por tensión máxima permanente admisible del servicio eléctrico nacional en kV

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 

Clase de precisión: se seleccionará la clase de precisión en función de la utilización que vaya a recibir el transformador. Potencia nominal: según la carga a conectar en el secundario se adoptará uno de los valores de potencia de precisión especificados en la norma. Conviene no sobredimensionar excesivamente la potencia del transformador. Si el secundario tiene una carga insuficiente, se puede intercalar una resistencia para compensar. Frecuencia nominal: si no se especifica otra distinta, se tomará por defecto 50 Hz caso contrario 60Hz. Número de secundarios: si se desea realizar medida y protección a partir de un mismo transformador, serán necesarios tantos secundarios como usos se deseen obtener del mismo.

PT Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de que tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial. Circuito equivalente.

Los transformadores de potencial se comportan en forma similar a un transformador convencional de dos bobinas. Por lo tanto el circuito equivalente referido al secundario es el siguiente. Zeq2 = Impedancia equivalente, referida al secundario. ZL = Impedancia del instrumento (voltímetro, similar). V2 = Tensión secundaria que deberá ser fiel reflejo de la primaria. Y0 » 0 Valores normalizados revisar http://www.sencamer.gob.ve/sencamer/normas/2286-99.pdf TIPO SEGÚN SU APLICACIÓN Transformadores de Tensión Inductiva Es un transformador que disminuye el voltaje de un sistema de alta potencia, y lo refleja través de un circuito inductivo a voltajes mas bajos, para su medición, lo que garantiza una precisión exacta e invariable durante toda la vida del transformador. Hasta 525 kV. Transformadores de Tensión Capacitiva Es un transformador que disminuye el voltaje de un sistema de alta potencia, y lo refleja través de un circuito inductivo a voltajes más bajos, para su medición. Este se logra utilizando 2 capacitores, 1 como acoplador de impedancias entre la red y el PT y otro como drenaje. Lo que se traduce en que en C1 hay una caída de tensión elevada, y en C2 una tensión reducida lo cual significa que el PT disminuirá los niveles de aislamiento y vuelve más económico el dispositivo. Todo beneficio implica un sacrificio, es menos preciso.. De las líneas de Alta Tensión. Hasta 765 kV.

SEGÚN SU BOBINADO *Conexionados del bobinado primario en los transformadores de tensión: - Bobinado primario conectado entre fases: en este tipo de conexión, los bornes del bobinado primario se conectan directamente a las fases de la línea. Este conexionado es el utilizado cuando lo que se quiere es medir la tensión de línea o tensión entre fases. - Bobinado primario conectado a tierra: en ocasiones es necesario medir las tensiones que aparecen entre fases y tierra por razones de seguridad. Dicha medida se consigue conectando uno de los bornes del bobinado primario a la fase y el otro borne a tierra. CLASES DE PRECISION La clase de precisión de un transformador de tensión para medida, está caracterizada por un número (índice de clase) que es el límite del error de relación, expresado en tanto por ciento, para la tensión nominal primaria estando alimentado el transformador con la “carga de pre c i s i ó n ” . Esta precisión debe mantenerse para una tensión comprendida entre el 80% y el 120% de la tensión nominal con una carga comprendida entre el 25% y el 100% de la carga de precisión. Las clases de precisión para los transformadores de tensión son: 0,1, 0,2, 0,5, 1 y 3.

VER CLASES DE PRECISION REVISAR: http://www.sencamer.gob.ve/sencamer/normas/2286-99.pdf ERROR

Error de relación (eREL) : error introducido en la medición por el apartamiento, para distintos valores de la tensión, de la relación entre tensiones primarias y secundarias (KU = U1/U2) de la relación nominal KUN. Se define en forma relativa

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Error de fase (eFASE) : error introducido en la medición por la aparición, para distintos valores de tensión, de una diferencia b de fase entre la tensión secundaria con respecto a la primaria

SELECCIÓN EL UNICO TOPICO QUE CAMBIA ES EL DE LA TENSION DE ALTA Y FACTOR DE TENSION

FACTOR DE TENSION Es el factor por el que hay que multiplicar la tensión primaria asignada, para determinar la tensión máxima para la que el transformador debe responder a las especificaciones de calentamiento, durante el tiempo indicado, y la precisión. REVISAR 79238 Tablas de precisión Pag 58 y 59

PARTES

http://www.mayecen.com/catalogos/arteche/TRANSFORMADORES%20DE %20MEDIDA%20MEDIA%20TENSION%20EXTERIOR.pdf

Comparación CT Entre los distintos tipos de transformadores tenemos que lo CT de tipo barra y boquilla, son económicos ya que solo están compuestos con un núcleo magnético, el cual atraviesa la línea que se desea medir y un devanado secundario en el cual se va a conectar el instrumento de medición, son de uso más que todo residencial social y su precisión es moderada. A diferencia de los CT de devanado primario que poseen toda una estructura confinada, lo cual implica una protección metálica un núcleo interno y ambos devanados primario y secundario, se utiliza colocando el devanado primario en serie con la línea que se desea medir la corriente, y los instrumentos de medición en el devanado secundario. Esto provoca que los costos sean más elevados ya que implica mas materiales pero las mediciones son mas precisas en especial si los valores a medir son bastante pequeños se usa mucho en subestaciones.

Comparación PT Entre los distintos tipos de transformadores tenemos los PT inductivos se caracterizan por hacer el uso o aprovechamiento del electromagnetismo para disminuir las tensiones de primario hacia secundario, estos transformadores son de alto costo, y poseen una alta precisión, se caracterizan porque además de esa función ofrecen cierta protección, porque aíslan los armónicos de la red de medición y se saturan con facilidad con pequeñas variaciones de corriente para proteger los equipos de medición. Comparado con el PT capacitivo, este tiene una ventaja utiliza 2 capacitores de línea a tierra, y se coloca el PT entre el segundo capacitor y tierra. El C1 es un conjunto de capacitores o condensadores en serie por lo tanto su capacitancia es muy pequeña lo que se traduce a una impedancia elevada, que funcionara como acoplador de impedancia entre línea y pt y en C2 caerá un valor mínimo de tensión. Al disminuir el voltaje a medir disminuimos los costos del pt, ya que los niveles de aislamiento y el calibre de los cables disminuyen un poco. Esto significa que usaremos un pt más pequeño y mucho más económico pero al agregar nuevos elementos al sistema de medición se hace menos precisa.