transformadores de medida

7/18/2019 Transformadores de Medida

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CAPÍTULO VIII TRANSFORMADORES DE MEDIDA

SUBESTACIONES ELÉCTRICAS 8/1

CAPÍTULO VI I I

TRANSFORMADORES DE MEDIDA

8.1.

INTRODUCCIÓNSon transformadores diseñados y construidos principalmente para alimentar instrumentos

de medición y protección; reducen con precisión las magnitudes elevadas de tensión y corriente avalores admisibles para los instrumentos.

Los instrumentos de medida y protección resultarían costosos y de gran dimensión, ademásde los riesgos inminentes que implica trabajar con elevadas corrientes o tensiones, por esta razón,se prefiere conectar estos instrumentos a través de los transformadores de medida.

Además, los transformadores de medida aíslan eléctricamente los instrumentos de la altatensión, brindan mayor seguridad al no estar en contacto directo con tensiones elevadas y evitan

perturbaciones electromagnéticas generadas por corrientes elevadas.

Los transformadores de medida según su aplicación se divide en: transformadores decorriente (Current Transformer) y en transformadores de potencial (Potential Transformer).

8.2. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (CT)Son transformadores que reducen las corrientes de gran magnitud a valores permisibles y

proporcionales a las corrientes primarias originales, alimentan instrumentos de medida y proteccióntales como amperímetros, vatímetros, registradores, relés de sobrecorriente, etc.

Los transformadores de corriente están constituido, por un devanado primario que seconecta en serie con el circuito de alta tensión y otro devanado secundario en los cuales se conectaen serie las bobinas de corriente de los instrumentos, ver figura 8.1.

Figura 8.1. Esquema eléctrico de untransformador de corriente.

El secundario trabaja normalmente encortocircuito, debido a la impedancia reducida de losinstrumento a conectar. En ningún caso debe dejarseabierto el secundario ya que la tensión inducida en eltransformador seria peligrosa para el personal y el equipomismo.

Por lo mencionado, en el secundario deltransformador de medida se instala un interruptornormalmente abierto que permite cerrar el circuito encaso de retirar el instrumento o no tener nada conectado.

Los transformadores de corriente según su construcción desde el punto de vista eléctrico pueden ser:

A

INT

R

S





8.2.1. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE MULTI-NÚCLEOSEn este tipo de transformador de corriente, el conductor de alta tensión atraviesa el núcleo

magnético cuya forma suele ser cerrada tipo toroidal sobre el cual se bobinan las espiras deldevanado secundario de manera uniforme, ver figura 8.2.

Figura 8.2. Núcleo toroidal de un transformador decorriente (ARTECHE).

Si la corriente del primario esmuy elevada, suele tener una sola espira(el conductor primario pasa una sola vez

por el interior del núcleo).

El diseño del núcleo toroidal y elsecundario uniforme permite reducir almínimo el flujo de dispersión en eltransformador, se distinguen dos tipos denúcleos para medición y protección.

a) Núcleos secundarios para mediciónEste tipo de núcleo utiliza una chapa de saturación rápida, diseñada para la medida de

valores cercanos a la corriente nominal, utilizada en transformadores que alimentan instrumentosde medida.

Transforman con gran precisión la corriente de carga Reproducen fielmente la magnitud y ángulo de fase de las corrientes Pueden variar desde un pequeño porcentaje de la corriente nominal.

b) Núcleos secundarios para protecciónEste tipo de núcleo utiliza una chapa de saturación débil o lenta, para realizar la medición

de corrientes muy superiores a su valor nominal, empleada en transformadores que alimentan relésde protección.

Reproducen con exactitud la corriente de carga y de cortocircuito que normalmente tienenvalores elevados, para que los relés puedan operar correctamente.

Soportan normalmente hasta veinte veces la magnitud de la corriente nominal. En grandessistemas eléctricos es posible que puedan soportar hasta 30 veces la corriente nominal.

Usualmente lostransformadores de corrientese diseñan con núcleos

múltiples independientes enun mismo transformador,formando un conjunto conúnico devanado primario,cuya espira enlaza todos losnúcleos secundarios, véase lafigura 8.3.

Figura 8.3. Transformador de corriente de dos núcleos toroidales.

Núcleo toroidal

Devanado secundario

P1

P2

S1 S2

Línea o circuito

P1

1S1

P2

2S1

1S2

2S2

MEDICI N

PROTECCI N





Normalmente, se disponen de cuatro núcleos secundarios, un núcleo para los circuitos demedición y los otros restantes para los circuitos de protección válido para todas las configuracionesde barras; excepto en anillo, en éste caso lleva dos núcleos de medición y cuatro de protección.

8.2.2. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE MULTI-RELACIÓN (MR)

Este tipo de transformador de corriente dispone de múltiples relaciones de transformación, por medio de secciones en el lado primario, el cual puede ser conectado en serie o paralelo de acuerdoa requerimientos técnicos, ver figura 8.4.

Figura 8.4. Transformador de corriente con doble relación primaria(Lecciones de subestaciones, Pedro Eterovic).

El devanado primario puede tener uno, dos o cuatro secciones permitiendo así una, dos otres corrientes primarias nominales mediante, mediante el adecuado acoplamiento de las mismas(serie o paralelo), esto no modifica la potencia de precisión o burden.

En la figura 8.5 se observa un transformador de corriente con doble relación primaria y seaprecia gráficamente las conexiones necesarias.

Figura 8.5. Transformador de corriente de doble relación primaria 50-100/5A (ARTECHE).

Bornera

Conductor primario

Núcleo secundario

Entrada de llenado de aceitePuente externo

Puente

200 A 200 A

100 A

100/5

100 A

S1S2

P1

P2

C1

C2

P1 P2

C1 C2

P1 P2

C1 C2

50 A

100 A

50 – 100 / 5 A





Figura 8.6. Esquema eléctrico de un CT conmúltiples relaciones de transformación.

También, existen transformadoresde que proporcionan múltiples relacionesde transformación en el devanadosecundario mediante taps intermedios,

variando así el número de amperes-vueltas(N∙I), véase la figura 8.6.

Sin embargo, la potencia de precisión para núcleos de protección varia proporcionalmente a N∙I, si disminuye NItambién disminuye la potencia de

precisión. Para núcleos de medición varía proporcionalmente al cuadrado de N∙I.

Por lo mencionado, resulta poco conveniente el uso de transformadores de corriente conmúltiples relaciones de transformación en el secundario en núcleos de protección con los actualesrelés de protección electrónicos, y no debería utilizarse en núcleos de medición.

8.3. TIPOS DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTELos transformadores de corriente según su tipo constructivo son los siguientes:

8.3.1. TIPO DEVANADOSu construcción es muy similar a un transformador común, con la diferencia de que el

conductor primario es de una gran sección (para conducir corriente de cortocircuito) y tienen en

general vueltas o bobinados para dar una relación mayor con menos vueltas en el secundario (Fig. 8.7).

8.3.2. TIPO VENTANAEste tipo de transformador de corriente no tiene primario propio, es construido con una

abertura a través del núcleo, por donde pasa un conductor que forma el circuito primario (Fig. 8.7).

Tipo devanado Tipo ventana Figura 8.7. Tipos constructivos de transformadores de corriente.

8.3.3. TIPO BUJEAl igual que el tipo ventana no tiene devanado primario, puesto que el conductor o barra

primaria cumple esta función. El secundario es bobinado sobre un núcleo toroidal con suficientesespacios para su aislamiento.

Núcleo

Devanado secundarioDevanado primario

Aislamiento

N1

N2

N3

N4

N5

Primario Secundario

I2

I3

I5

I4





Los transformadores de corriente tipo buje, son muy utilizados en los bushings de lostransformadores de potencia o en los interruptores, tal como se vio en la figura 7.1 del capítulo VII.

8.3.4. TIPO ESTACIÓN Llamados también autosoportados, son los más utilizados en subestaciones de alta tensión

y extra alta tensión, existen con pedestal tanque bajo y con pedestal tanque invertido.

a) Tipo pedestal tanque bajoEste tipo de transformadores de corriente se basa en un diseño de horquilla (forma del

conductor primario) conocido como de tipo tanque, el primario consta de uno o más conductores paralelos de aluminio o cobre en forma de U, ver figura 8.8.

Figura 8.8. Transformador de corriente de tanque bajo, tipo IMB de ABB.

La sección inferior consiste en un tanque de aluminio donde se montan los núcleostoroidales y los devanados secundarios, de ahí el nombre de tanque bajo.

El transformador cuenta con una construcción mecánicamente robusta, diseñada parasoportar exigencias altas de aceleración sísmica sin necesidad de amortiguadores (tiene centro degravedad bajo), por esta razón, se instalan de preferencia en zonas sísmicas.

Sin embargo, su principal desventaja es que constructivamente no está diseñado para soportarniveles muy altos de corrientes de cortocircuito.

Colchón de gas Unidad de relleno de aceite (oculta)

Relleno de cuarzo

Conductor primario

Núcleos/devanado secundario

Caja de bornes secundario

Toma de tensión capacitiva

Vaso de expansión

Luz de aviso de nivel de aceite

Terminal primario

Borne de tierra





b) Tipo pedestal tanque alto o invertido (tipo T)Este tipo de transformador tiene el tanque en la parte superior del mismo, en la cual se

encuentran los secundarios y los núcleos toroidales donde el primario es una barra pasante, verfiguras 8.9.

Tipo CTH de ALSTOM Figura 8.9. Transformador de corriente de tanque alto.

El transformador constructivamente está diseñado para soportar niveles muy altos decorriente de cortocircuito y resistencia a grandes esfuerzos electromecánicos.

Su instalación no recomendable en zonas sísmicas por su alto centro de gravedad. La probabilidad de ruptura del aislador es mayor que un transformador de tanque bajo, por ser la partesuperior más pesada y voluminosa.

8.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE8.4.1. CORRIENTES NOMINALES

Los valores de corrientes nominales, de los transformadores están normalizados de acuerdoa la norma IEC 60044-1.

a) Corrientes primarias nominales, los valores normalizados en el primario del transformador

de corriente son: 10 – 12,5 – 15 – 20 – 30 – 40 – 50 – 60 – 75 A y sus múltiplos ysubmúltiplos (los valores subrayados son de preferencia).

b) Corrientes secundarias nominales, los valores de corriente normalizados en el secundario,en general se considera 1 y 5 A. Normalmente se utiliza 1 A en subestaciones contensiones mayores o iguales a 230 kV, debido a que las pérdidas se dan en la gran longitudde los cables de control y protección.

Núcleos secundarios

Conductor primario

Bornera

Diafragma de de

goma corrugadaIndicador de

nivel de aceite Bornes para cambiode relaciónTerminal

primarioBobinado primario

Bobinados secundarios

Aislación de papel

Cabezal de

resina sintética

Aislador de porcelana

Aceite aislante

Blindaje de baja tensión

Conexiones

secundarias

Caja de bornes

secundariosBase metálica de

fijación al pedestal





8.4.2. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓNPara expresar la relación de transformación, se indica la corriente primaria y secundaria de

la siguiente manera:corriente nominal primaria corriente nominal secundaria⁄

Ejemplo:100 / 5 A Un transformador de corriente de un solo núcleo secundario y un primario.

Cuando se disponen transformadores de corriente con múltiples núcleos independientes seexpresa de la siguiente manera.

Ejemplo:100 / 5 : 5 : 5 A Un transformador de corriente de tres núcleos secundarios independientes.

Los transformadores de múlti-relacion, disponen de varias secciones en el primario de lascuales se emplean algunas de estas secciones para su conexión serie o paralelo.

Ejemplo:100 – 200 – 300 × 200 – 400 – 600 / 5 A MR

Se selecciona los siguientes valores, para obtener así una doble relación de transformaciónen el primario y un solo núcleo secundario: 200 - 400 / 5 A.

Para un transformador de corriente de multi-relación con cuatro núcleos secundariosindependientes.

Ejemplo:300 – 600 / 5/ 5/ 5/ 5 A MR

8.4.3. RESISTENCIA A LOS CORTOCIRCUITOS

Los transformadores de corriente están conectados directamente a las líneas, hace que esténsometidas a las mismas sobretensiones y sobrecorrientes. Si se produce un cortocircuito se generacirculación de elevadas corrientes que someten al equipo a efectos térmicos y esfuerzos dinámicos.

a) Corriente térmica nominal de cortocircuito (ITER )Los efectos térmicos obligan a dimensionar adecuadamente el primario del transformador,

se considera que todo el calor producido queda almacenado en el conductor primario, cuyocalentamiento máximo está determinado por normas.

La corriente térmica, es el mayor valor eficaz de la corriente primaria que el transformador puede soportar por efecto joule, durante un 1 s, sin sufrir deterioro y con el devanado secundario encortocircuito, se calcula a partir de: I = S√ 3 ∙ UN [kA]

Donde:ITER : Valor eficaz de la corriente de límite térmico, [kA].Scc: Potencia de cortocircuito, [MVA].U N: Tensión nominal del sistema, [kV].





b) Corriente dinámica nominal (IDIN)Para evitar que el transformador se rompa por esfuerzos dinámicos que se producen en el

primario, es necesario adecuar una sujeción mecánica en dicho primario. Estos esfuerzos sonfunción del valor máximo de pico de la corriente de cortocircuito.

La corriente dinámica, es el valor pico de la primera amplitud de corriente que soporta untransformador sin sufrir daño eléctrico o mecánico como resultado de esfuerzos electrodinámicoscuando el devanado secundario esta en cortocircuito. Se calcula a partir de la expresión:IDN = 1 , 8 ∙ √ 2 ∙ I = 2 , 5 5 ∙ I [kA]

Donde:IDIN: Valor de cresta de la corriente dinámica, [kA p].

En la práctica, para construir transformadores resistentes a los cortocircuitos se requierengrandes secciones de cobre en los bobinados, lo que reduce el número de espiras del primario.

8.4.4.

POTENCIA DE PRECISIÓN (BURDEN) Es la potencia aparente secundaria en volt-ampers (VA), a un factor de potencia especificado,que un trasformador puede suministrar al circuito secundario bajo una corriente secundaria nominal,

para el cual se especifican condiciones de precisión; en términos de carga se expresa en ohmiosindicando su factor de potencia.

Para especificar la potencia nominal, se suman las potencias de las bobinas amperométricasde los instrumentos conectados en serie con el secundario (figura 8.10), más las pérdidas por efecto

joule que se producen en cables de alimentación, se selecciona el valor nominal inmediato superior.

Figura 8.10. Circuito equivalente completo del transformador de corriente.

La norma IEC, establece las siguientes potencias nominales para los transformadores de

corriente de: 2,5 - 5 - 10 - 15 - 30 y múltiplos hasta los 60 VA con un factor de potencia de 0,8.

Actualmente, con la utilización de los instrumentos digitales la potencia que consume eltransformador es mucho menor, pero se debe tomar en cuenta la potencia que consume el conductor

porque es mucho mayor y predomina en el dimensionamiento del burden.

El consumo de potencia de los conductores está ligado principalmente a la resistenciaóhmica que presentan los mismos y puede ser calculado con la siguiente ecuación:

I1 I2

I0 Im Ife

Bobinasamperométricas

en serie

VA

A

E1 E2

R1 X1 X2 P1

P2

S1

S2

R e Xm

R2

N1 N2

E = Fuerza magnetomotriz





R = ρ ∙ LA [Ω] Donde:R L: Resistencia total de conductor, [Ω]. ρcu: Resistividad del conductor, [Ω∙mm2/m]. Para el cobre 1/57.

L: Longitud del conductor, [m].A: Área del conductor, [mm2].

Ejemplo:Determinar la potencia nominal de un transformador de corriente de una relación 100/5 A,

que alimenta un amperímetro y un vatímetro, a una distancia de 100 m existente entre el tablero yel transformador; el conductor utilizado es de 10 AWG con una sección de 4,16 mm2.

Datos:Consumo del amperímetro: SAMP = 1,5 [VA]Consumo del vatímetro: SVAT = 3,0 [VA]

Área del conductor: Ac = 4,16 [mm2]Longitud del conductor: L = 100 [m]

Resistencia total de conductorR = ρ ∙ LA = 157 ∙ 1004,16 = 0,422 [Ω] Consumo del conductor

Si la corriente nominal del secundario es I2 = 5 A se tiene:

S = I

∙ Z = 5

∙ 0,42 = 10,54 [VA]

Potencia de precisión del transformador de corrienteS = SMP + S + S = 1,5 + 2,5 + 10,54 = 14,54 [VA] Por tanto, se debe seleccionar un transformador de corriente con una potencia nominal de:SN = 15 [VA]

También, se puede expresar en términos de carga:15

5 = 0,6 [Ω]

En la práctica, se asume una capacidad de 50 VA si los instrumentos son electromecánicos,si los equipos son electrónicos o estáticos se asume 5 VA (si instalación definitiva), si no se cuentacon datos de equipos a alimentar la capacidad se puede asumir de 20 VA.

8.4.5. CLASIFICACIÓN DE LOS ERRORESEn la selección del transformador se deben considerar el error cometido en la relación de

transformación (error de corriente) y el desfase introducido entre los vectores de corrientes del primario y secundario (error de fase), debido a la presencia de la corriente de excitación (Fig. 8.11).





Figura 8.11. Circuito equivalente del transformador de corriente referido al primario.

Se mencionó, que los bornes del secundario no deben dejarse en circuito abierto (I2 = 0), porque la corriente del primario (I1) llega a ser toda la corriente de excitación (I0), esto induce en elsecundario valores elevados de tensión proporcionales (E1 = N1∙I1), porque no existe una fuerzamagnetomotriz secundaria (E2) que se oponga, aunque la saturación del núcleo puede ayudar a quela tensión inducida no sea tan alta.

Figura 8.12. Diagrama vectorial decorrientes del transformador de corriente.

Lo anterior, provoca fuertes pérdidas en elnúcleo que se pueden dañar por sobrecalentamiento,esto lleva al transformador el riesgo de producir unarco y destruirlo. Además queda una magnetizaciónremanente en el hierro, cuando se vuelva a trabajaren condiciones normales provocará inadmisibleserrores de medida.

En condiciones normales, el incremento decarga en el secundario, aumenta la tensión inducida

(E2) y con esté también la corriente de excitación(I0) magnetizando el núcleo y de esta manera elerror aumenta, ver figura 8.12.

Por tanto, para reducir los errores (de corriente y de fase), habrá que reducir la corriente deexcitación, empleando material de baja reluctancia o sea una permeabilidad alta en el núcleo, porello se fabrican con aleaciones especiales.

a) Error de corriente (εi)Este error se da debido a la diferencia, entre la magnitud especificada y la magnitud medida

de corrientes en el transformador. Se define como “el error que un transformador introduce en la

medición de la corriente y se incrementa debido a que la relación de transformación no es igual a larelación nominal”.

El error de corriente indica la clase de precisión del transformador de corriente, se expresaen porcentaje (%), viene dado por la formula:ε = kN ∙ (I − I)I ∙ 100 [%]

E2 I2

I1

I0 Ife

Im Φ

δ

k = 1

Bobinasamperométricas

en serie

VA

A

+

-

E1 = k·E2

P1

P2

S1

S2

I1 R1 X1

I0

Ife Im

Rfe Xm

I2 / k k2·X2 k2·R2

k: relación de transformación





Donde:I1: Corriente primaria real, [A].I2: Corriente secundaria real, [A].k N: Relación de transformación nominal (en placa de características).

kN = ININ

a) Error de fase (δi)Es el desfase que se presenta entre vectores de la corriente primaria (I1) y secundaria (I2), el

error puede ser positivo o negativo, dependiendo de la aplicación del transformador, se expresanormalmente en minutos. Se considera positivo cuando la corriente secundaria está en adelanto sobrela corriente primaria, ver figura 8.13.

Figura 8.13. Error de fase del transformador de corriente.

En un transformador idealesta diferencia de ángulo es nula.

La presencia del error defase influye en la precisión de las

mediciones, por esta razón se debetratar de reducir al máximo.

En la práctica, para las cargas con un factor de potencia de 0,8 el desfase no constituye unfactor limitativo, por lo que se calcula el transformador para el máximo error de corriente, es decir,cuando la corriente secundaria y la corriente de excitación estén en fase.

8.4.6. CLASE DE PRECISIÓNLa clase de precisión es el error máximo admisible que un transformador puede introducir

operando a tensión y frecuencia nominal, se caracteriza por los errores de medida definidos.

a) Clase de precisión para medida La clase de precisión de un transformador de corriente para medida se designa por un número

(índice de clase) que es límite del error de corriente, expresado en porcentaje, para la corrientenominal primaria estando alimentado el transformador con la carga de precisión.

Según clases de precisión, los transformadores de corriente para medida son las siguientesy aplicadas en:

Clase 0,1: mediciones de gran precisión y calibración en laboratorios. Clase 0,2: mediciones en laboratorio y para los medidores de energía de alimentadores de

potencia.

Clase 0,5: medidores de energía de facturación en circuitos de distribución e industriales. Clase 1: alimentación a las bobinas de corriente de los aparatos de medición en general,

indicadores o registradores. Clase 3: para usos en los que no se requiere una mayor precisión.

Según el uso que tenga el transformador se recomienda, en la tabla 8.1 las siguientes clasesde precisión, considerando que un valor menor de clase de precisión corresponde precios más altos

para la misma tensión y relación de transformación.

I2

I1 I2

I1

Error positivo Error negativo

+δ -δ





Tabla 8.1. Limites de error para transformadores de corriente para medida (IEC 60044-1).

Clase deprecisión

± % de error de corriente al %de corriente nominal indicado

± Desplazamiento de fase en minutosal % de corriente nominal indicado

5 20 100 120 5 20 100 1200,1 0,4 0,2 0,1 0,1 15 8 5 50,2 0,75 0,35 0,2 0,2 30 15 10 10

0,5 1,5 0,75 0,5 0,5 90 45 30 301,0 3,0 1,5 1,0 1,0 180 90 60 60

La norma IEC especifica que la clase de precisión, se debe mantener siempre y cuando lacorriente que circula por el primario se encuentre por debajo de 120% de la corriente primarianominal, y también cuando la carga conectada en el secundario esté comprendida entre el 25% y el100% de la carga nominal.

Actualmente, se están utilizando transformadores de corriente de gama extendida, cuyacaracterística de precisión y calentamiento se extienden a valores de la corriente primaria, superioresal 120% de la nominal.

Es normal considerar como límite de la gama el 150% y el 200% de la corriente primarianominal.

Para aplicaciones especiales, en los transformadores de corriente de clase 0,2 y 0,5 concorriente secundaria nominal de 5 A se puede extenderse la precisión hasta el 1% de la corriente

primaria nominal, pasando a denominarse 0,2S y 0,5S, tal como se muestra en la tabla 8.2.

Tabla 8.2. Limites de error para CT’s para medida de aplicaciones especiales (IEC 60044-1).

Clase de

precisión

± % de error de corriente al % de

corriente nominal indicado

± Desplazamiento de fase en minutos

al % de corriente nominal indicado1 5 20 100 120 1 5 20 100 1200,2 S 0,75 0,35 0,2 0,2 0,2 30 15 10 10 100,5 S 1,5 1,75 0,5 0,5 0,5 90 45 30 30 30

Los transformadores con núcleo para medición, se diseñan de manera que el núcleo sesature a valores relativamente bajos de sobrecorriente, protegiendo los instrumentos conectados enel secundario, véase la figura 8.14.

Se puede decir, que a valores elevados de corriente en el primario alcanza la saturación y avalores muy bajos pierden precisión. La protección de instrumentos se indica por el factor de

seguridad (FS), y estos se muestran a continuación: FS 5, indica que a 5∙I N se satura para proteger los instrumentos. FS 10, indica que a 10∙I N se satura para proteger los instrumentos.

En nuestro país, para mediciones precisas se utiliza la clase de precisión 0,2 en especialcuando se tiene que medir grandes volúmenes de energía (potencias mayores a 20 MVA); paramediciones normales se utiliza la clase de precisión 0,5 (para potencia instalada menor a 20 MVA).





b) Clase de precisión para protección La clase de precisión de un transformador de corriente para protección se caracteriza por la

letra “P” (indica protección), la clase de precisión indica el límite superior del error compuesto parala corriente límite de precisión nominal y la carga de precisión.

El error compuesto (Ec) se expresa generalmente como un porcentaje del valor eficaz de lacorriente primaria (I1) de acuerdo con la siguiente expresión:

E = 100I ∙ 1T ∙ ∫(kN ∙ i − i) ∙ dt [%]

Donde:i p: Valor instantáneo de la corriente primaria.is: Valor instantáneo de la corriente secundaria.T: Duración de un ciclo.k N: Relación de transformación nominal.

La corriente limite de precisión nominal, es el valor más elevado de la corriente primaria, para la cual, estando el transformador con la carga de precisión, se asegura que no sobrepasará elerror compuesto.

Según clases de precisión, los transformadores de corriente para protección son las siguientesy se emplean en:

Clase 5P: alimentación a las bobinas de relés de protección diferencial, de distancia,direccional y otros de cierta precisión, en general aquellos que afecten el error de ángulo.

Clase 10P: alimentación a las bobinas de relés ordinarios de protección y otros, en general,

aquellos a los que nos les afecten el error de ángulo.

En la tabla 8.3 se muestran, las clases de precisión para los transformadores de corriente para protección.

Tabla 8.3. Limites de error para CT’s convencionales para protección (IEC 60044-1).

Clase deprecisión

Error de corrientepara la corriente

primaria nominal [%]

Desplazamiento de fasepara la corriente

primaria nominal [min]

Error compuesto para lacorriente limite de precisión

[%]5P ± 1 ± 60 5

10P ± 2 - 10

Los transformadores de corriente con núcleos para protección, no se saturan rápidamente, porque tienen que mantener su precisión para valores varias veces la corriente nominal (Fig. 8.14).

El mantener la precisión para elevadas corrientes se indica con el factor límite de precisión(ALF, Accuracy Limit Factor) y los valores más comunes son los siguientes:

ALF 10, indica que hasta 10∙I N mantiene la precisión. ALF 20, indica que hasta 20∙I N mantiene la precisión (véase la figura 8.14).





Figura 8.14. Comportamiento frente a sobrecorrientes de los CT’s para la carga nominal.

Ejemplo: Especificar un transformador de corriente con tres núcleos de secundarios: uno para

medición y dos para protección.1er Secundario-medición: clase 0,2 FS 5 20VA2do Secundario-protección principal: clase 5P ALF20 30VA3er Secundario-protección de respaldo : clase 10P ALF20 20VA

El factor de seguridad (FS) y el factor límite de presión (ALF) son conceptualmente

similares, porque indican ambos a que múltiplo de la corriente primaria nominal comienza lasaturación del transformador de corriente con carga de precisión nominal.

8.4.7. FACTOR DE CARGAEl factor de carga en el transformador de corriente, es el número que indica un múltiplo de

la corriente primaria que debido a la saturación del núcleo produce un error de corriente de 10%,cuando la carga de precisión es de su valor nominal.

Por ejemplo, para un valor de corriente en el primario de 20 veces el valor nominal (núcleosaturado), la corriente secundaria es 10% que su valor nominal, es decir, que el factor de carga esde 20, para su especificación se denota como 1,2.

8.4.8. POLARIDAD DE LOS TRANSFORMADOR DE CORRIENTELa polaridad en los transformadores de corriente es muy importante, porque si se conecta

en forma equivoca, se obtienen resultados erróneos en especial en medición.

Los bornes deberán estar marcados de una forma clara e indeleble sobre su superficie o ensu proximidad inmediata. Las marcas de polaridad del primario y secundario en sus terminalesindican la dirección común en el circuito para el flujo de corriente, en cualquier instante del tiempo.

Flujo

Corriente

PROTECCI N

MEDICI N

5∙IN 20∙IN

Zona de funcionamiento de unnúcleo de protección

Zona de funcionamiento de unnúcleo de medición





Figura 8.15. Polaridad de un transformadorde corriente.

Los bornes de los devanados primario ysecundario deben ser identificados con fiabilidad,

por ello la norma IEC 60185 indica que aquellosterminales que empiecen con P y C corresponde al

devanado primario, y los que empiecen con S aldevanado secundario, ver figura 8.15.

Todos los terminales identificados con P1, S1 y C1 deben tener la misma polaridad en elmismo instante de tiempo. La identificación consiste de letras mayúsculas seguidas o precedidasdonde fuera necesario, por números, ver figuras 8.16.

Transformador de simple relación. Transformador con toma intermedia en el secundario.

Transformador con dos secciones en el arrollamiento primario para su conexión en serie o paralelo.

Transformador con dos arrollamientos secundarios ynúcleos independientes.

Figura 8.16. Identificación de polaridad de los transformadores de corriente (IEC-60185).

8.4.9.

CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTEPara la alimentación de los instrumentos en los circuitos trifásicos generalmente se

conectan en cualquiera de las conexiones típicas de los circuitos trifásicos es decir delta o estrella,siendo esta ultima la más empleada, ver figura 8.17.

Figura 8.17. Conexión estrella de los transformadores de corriente.

R

S

T

A

W

A

W

A

W

N

1S1

P1 P2

1S2 2S1 2S2 S1 S2

P1

C1

P2

C2

S1 S3

P1 P2

S2 S1 S2

P1 P2

Primario

S2 S1

P1 P2 I1

I 2 Secundario





Los devanados del transformador en cualquier conexión trifásica se deben realizar deacuerdo con sus marcas de polaridad, debe existir cierta concordancia en el sentido instantáneo delas corrientes; y siempre conectar el lado secundario a tierra, por las siguientes razones:

Seguridad para el personal y para los aparatos de medida. Evitan que se originen diferentes potenciales en los diferentes dispositivos de medida

conectados a tierra. Evitan la aparición de acoplamientos capacitivos indeterminados, que pueden provocar

errores en las medidas.

8.5. PRUEBAS DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTELas pruebas según la norma IEC son especificadas en las pruebas tipo, pruebas de rutina y

pruebas especiales.

a) Pruebas tipoLas pruebas a los que serán sometidos unos o pocos de los transformadores, a efecto de

verificar su diseño son los siguientes:

Pruebas de corrientes de corta duración: ITER e IDIN Pruebas de elevación de temperatura Pruebas de impulso de rayo en el devanado primario Pruebas de impulso de maniobra en el devanado primario Pruebas de aislamiento en húmedo, para los transformadores de intemperie Determinación de errores de acuerdo con requerimientos de la clase de precisión.

b) Pruebas de rutinaLas pruebas a los cuales serán sometidos todos los transformadores, se efectúan en forma

individual sobre cada transformador, son los siguientes: Verificación de la identificación de los terminales Tensión soportada a frecuencia industrial en devanados primarios Tensión soportada a frecuencia industrial en devanados secundarios Tensión soportada a frecuencia industrial entre secciones Sobretensión entre espiras Pruebas de descargas parciales Determinación de errores de acuerdo con requerimientos de la clase de precisión.

c) Pruebas especialesLas pruebas especiales son aquellos acordados entre el fabricante y el comprador, estas son

las siguientes:

Pruebas de impulso de rayo recortada Medida de la capacidad y del factor de disipación dieléctrica Pruebas de múltiples impulsos en el devanado primario Pruebas mecánicas.

8.6. ESPECIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTESe presenta a continuación la especificación de un transformador de corriente a manera de

ejemplo, se asumen valores:





TRANSFORMADORES DE CORRIENTEN° DESCRIPCIÓN UNIDAD ESPECIFICADO

DATOS GENERALES1 Tipo2 Altitud de instalación m.s.n.m. 30503 Norma de fabricación IEC

4 Capacidad sísmicaDATOS NOMINALES Y CARACTERÍSTICAS

1 Frecuencia nominal Hz 50

2Características de tensión: Tensión nominal del sistema kV 115 Tensión máxima de operación del equipo kV 145

3 Nivel de aislamiento (referidos a 1000 m.s.n.m.): Tensión soportada a frecuencia industrial kV 275 Tensión soportada a impulso de rayo kV p 650

4Características de corriente: Corriente de corta duración, 1s (ITER ) kA 25 Corriente dinámica pico (IDIN) kA p 64

5 Relación de transformación 300 - 600 / 5 Corriente máxima del devanado primario A 600 Corriente de los devanados secundarios A 5

6

Consumo y clase de precisión: Medición (un núcleo) Clase/FS/VA 0,2/5/30 Protección (tres núcleos) Clase/ALF/VA 5P/20/50 Relación para la carga de precisión nominal A 600

7 Rating Factor (Factor de carga) 1,2AISLADOR

1 Tipo2 Material Porcelana3 Línea de fuga total mm4 Línea de fuga especifica mm/kV 25

ACCESORIOS1 Conectores primarios para cable o tubo Si2 Estructura soporte y conectores Si3 Caja de empalme (cada 3 CT’s) Si4 Indicadores de aceite Si5 Conectores de puesta tierra Si6 Placa de características Si7 Curvas de error para núcleos de medida Si

Nota: Los datos que no se indiquen en la columna “especificado”, el proponente debe consignar sus propios datos.

8.7. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (PT)Son transformadores destinados a reducir valores de tensión de magnitudes elevadas a

valores adecuados y proporcionales a las primarias originales, para la alimentación de instrumentosde medición y protección, como voltímetros, relés de protección, etc.

En sistemas con tensiones nominales de 400 V las mediciones de tensión no se realizan demanera directa, sino mediante los transformadores de potencial. Al igual que los transformadoresde corriente en subestaciones estos son constructivamente de tipo pedestal.





Figura 8.18. Esquema eléctrico de untransformador de potencial.

El transformador de potencial consta deun primario que se conecta en paralelo con elcircuito de alta tensión; y el otro secundarioque se conecta también en paralelo con las

bobinas de tensión de los instrumentos, que

constituyen la carga, ver figura 8.18.

El funcionamiento normal deltransformador es próximo a trabajar en vacio(secundario abierto), porque alimentainstrumentos de impedancias elevadas.

Los transformadores de potencial, no requieren un circuito magnético (núcleo) diferente para cada devanado secundario, sino que asocia varios devanados a un solo núcleo. Por razonesconstructivas y de aislamiento se fabrican con núcleo rectangular y los secundarios se bobinan

sobre el mismo núcleo, ver figura 8.19.

El núcleo de los transformadores, tanto paramedida y protección se construyen con chapasmagnéticas de gran permeabilidad y de rápidasaturación, que mantiene constante la relación detransformación y la precisión cuando la tensión en eldevanado primario se mantiene por debajo del 120%de la tensión nominal.

La razón de uso de estos núcleos, es porque en

un sistema eléctrico la tensión no presenta variacionesgrandes. Los núcleos de saturación débil ocasionaríanque ante la presencia de sobretensiones en el primario,se transferirían al secundario con el consecuente dañoa los instrumentos conectados al mismo.

Figura 8.19. PT con dos secundarios ytoma en cada uno de ellos (ARTECHE).

8.8. TIPOS DE TRANSFORMADORES DE POTENCIALLos transformadores de potencial según su aplicación se clasifican en transformadores de

potencial inductivos y transformadores de potencial capacitivos.

8.8.1.

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL INDUCTIVOEn el transformador de potencial inductivo, tanto el devanado primario como el devanadosecundario están dispuestos sobre un circuito magnético común dentro de un tanque de aluminio,situado en la sección inferior del mismo, véase la figura 8.20.

Los transformadores de potencial inductivo se construyen como unidades monopolares para conexión fase-tierra o para conexión fase-fase, siendo esta última utilizada fundamentalmenteen media tensión.

A

B

1a1 1a2

1a

2a1 2a1

2b

V

R

N





Figura 8.20. Esquema de un transformador de potencial inductivo para alta tensión.

Normalmente los transformadores de potencial constan de dos secundarios: el primero se utiliza para conectar en estrellatanto los instrumentos de medida como de

protección, y el segundo en conexión delta

abierto denominado “devanado de tensiónresidual” para polarización de relés de fallas atierra mediante la detección de tensioneshomopolares.

Si los transformadores de potencial seinstalarán en una red con un alto riesgo deferrorresonancia, como medida de precauciónadicional, se conecta una resistencia de unvalor adecuado en delta abierto con losdevanados terciarios (tercer secundario) enconexiones trifásicas, amortiguando de estamanera las sobretensiones de ferroresonancia.

Los transformadores de potencial inductivos soportan menores tensiones que untrasformador de potencial capacitivo, pero proporciona mejores resultados en el ámbito de la

precisión, por lo que suele ser preferido para medida.

Figura 8.21. Transformador de potencial inductivo, tipo EMF de ABB.

Núcleo

Devanado primario

Devanado secundario

Bornera

Borne primario

Borne primario

Tanque

Devanado primario

Devanados secundarios

Núcleo

Conexión a tierra

Tornillo de enganche

Terminal de neutro

Caja de bornessecundarios

Aislador

Relleno de cuarzo

Aceite

Sistemas de expansión

Aislamiento de papel

Luz de aviso denivel de aceite





8.8.2. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL CAPACITIVO (CCPD)En altas tensiones, el tamaño de los PT’s inductivos tiende a crecer enormemente así como

también su costo. Una alternativa económica es el transformador de potencial capacitivo (CCPD,Copuling Capacitor Potencial Device), que al carecer de espiras no dan problemas de volumen.

Figura 8.22. Esquema básico de un transformador de potencial capacitivo.

Los transformadores de potencial, se componen básicamente deun divisor de tensión capacitivo, queconsta de dos condensadores, C1 y C2 conectados en serie, con el fin deobtener un borne de tensión intermedia,al que se conecta una inductancia (L1) yun transformador de tensión intermediade tipo inductivo (figura 8.22). Lainductancia compensa la reactanciacapacitiva del divisor de tensión, esdecir, la desviación del ángulo de fase.

Estos transformadores, también se conectan entre fase-tierra y pueden tener 1, 2 ó 3secundarios según sea los casos y modelos. El número de unidades capacitivas depende del nivel detensión, los cuales son contenidos dentro de aisladores huecos de porcelana, ver figura 8.23.

Figura 8.23. Esquema de un transformador de potencial capacitivo.

Los CCPD´s requieren incorporar un circuito de amortiguamiento de ferrorresonancia, yaque la capacitancia en el divisor de tensión, la inductancia del transformador intermedio y lainductancia (L1) en serie, constituye un circuito de resonancia sintonizada.

Transformador inductivo

Caja de bornes

Conexión para telefonía de frecuencia portadora

Caja de bornes para telefonía de frecuencia portadora

Parte de condensador

C1

C2

L1

L

L: Se conecta a tierra cuando la rampa de onda no es utilizado

Circuito de amortiguamiento de ferroresonancia

V VA

+

-

+

-

U1

C2

C1

L1

Transformador deension intermedia

Ui

+

-

U2

U1: Tensión primariaU2: Tensión secundariaUi: Tensión intermedia





Este circuito de resonancia, mediante diversas perturbaciones en el sistema eléctrico, puede ponerse en resonancia lo que podría saturar el núcleo de hierro del transformador intermedio, estefenómeno produce calentamiento o dar lugar a un colapso en el aislamiento del mismo.

Por esta razón, los CCPD’s utilizan circuitos de amortiguamiento conectados en paralelo

con uno de sus devanados secundarios. Este circuito consiste de un reactor con un núcleo de hierro,y una resistencia en serie, véase las figuras 8.23 y 8.24.

Figura 8.24. Transformador de tensión capacitivo CSA o CSB de ABB.

Los transformadores de potencial capacitivo, se puede analizar de forma similar a lostransformadores inductivos. Pero se debe tomar en cuenta otros factores que afectan a la precisión,como son: variaciones de frecuencia, variaciones de temperatura y estabilidad en el tiempo.

La respuesta de un transformador de potencial capacitivo en régimen transitorio, no es tanrápida como la de un inductivo, y en ciertos casos, las exigencias de las protecciones rápidas no

permiten la utilización de los transformadores de potencial capacitivo.

Sin embargo, los transformadores de potencial capacitivos nos permiten utilizar las líneasen alta tensión para comunicación entre subestaciones eléctricas, mediante onda portadora (PLC,Power Line Carrier) de alta frecuencia.

Sistema de expansión

Elementos del condensador

Pasamuros de tensiónintermedio

Borne primario

Borne de baja tensión (parauso de frecuencia portadora)Cristal de nivel de aceite

Reactor de compensación

Circuito de amortiguamientode ferroresonancia

Devanados primario ysecundarios

Colchón de gas

Caja de bornes

Núcleo





Los transformadores de potencial capacitivo se instalan en las bahías de salida de líneas detransmisión, trabajan simultáneamente como un transformador de potencial y un capacitor deacoplamiento para onda portadora, ver figura 8.25.

Figura 8.25. Esquema de sistema de comunicación por onda portadora.

Trampa de ondaEs una bobina sintonizada, llamada también bobina de bloqueo se instala próxima al divisor

capacitivo en serie con la línea en alta tensión (figura 8.26), por ende, deben ser dimensionadas parasoportar corriente nominal a frecuencia industrial y corrientes de cortocircuito a las que estánsometidas las líneas de transmisión.

Figura 8.26. Formas típicas de instalación de las trampas de onda.

Las trampas de onda presentan una impedancia despreciable a frecuencia industrial (50 Hz),de manera que no perturbe la transmisión de energía eléctrica. Pero la impedancia de la bobina debeser relativamente alta para cualquier banda de frecuencia empleada para comunicación por onda

portadora.

Trampa de onda

CCPD

Salida de línea Salida de línea

Trampa de onda

CCPD

TRANSPORTE DE ENERG A EL CTRICA

Transmisión de Datos, Comunicación y señales de protección

Subestación Trampa de onda Subestación Trampa de onda Línea de alta tensión

Impedancia característica

Onda portadora Onda portadora

Transformador depotencial capacitivo

Dispositivode acople

Dispositivode acople

Transformador depotencial capacitivo





El divisor capacitivo y la bobina de bloqueo operan como filtros pasa bajos, es decir, dejan pasar la señal de baja frecuencia por las líneas de transmisión y bloquean la señal de alta frecuencia para que pasen al equipo de comunicaciones de la subestación.

Figura 8.27. Principales componentes de una bobina de bloqueo.

Generalmente, el rango de frecuencias empleado para comunicación por onda portadora esde 30 a 500 kHz, el cual se selecciona de acuerdo con las frecuencias usadas por la empresa eléctricay con la longitud de la línea; se utiliza para telecomunicaciones, teleprotecciones, telemando, etc.

La especificación para transformadores de potencial capacitivos es similar que para untransformador de potencial inductivo, excepto al especificar la capacidad y los accesorios para laonda portadora (a cargo del ingeniero de comunicaciones).

8.9.

CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIAL8.9.1. TENSIONES NOMINALES

a) Tensiones primarias nominales, es igual a la tensión nominal del sistema eléctrico. Paratransformadores monofásicos conectados entre línea y tierra o conectados entre neutro y

tierra, es la tensión nominal del sistema dividida por √ 3.

Tabla 8.4. Tensiones nominales para el transformador de potencial (IEC-600186).TENSIÓN DELSISTEMA [kV]

TENSIÓN DELPT [kV]

6,6 6,6/√ 3 10,5

10,5/√ 3

24,9 24,9/√ 3 34,5 34,5/√ 3 69 69/√ 3

115 115/√ 3 230 230/√ 3

b) Tensiones secundarias nominales, se selecciona de acuerdo con la practica seguida en laregión de utilización de los transformadores.

Cruceta

Rejilla antipajaro

Terminal

Cáncamo para izar

Anillo anticorona

para UN > 230 kV

Dispositivo de

protección

Terminal

Bobina principal

Dispositivo

de sintonía

Pedestal

Tirante





Basados en la práctica de un grupo de países europeos y según la IEC: 100 V y 110V 200 V para circuitos secundarios largos.Basados en la práctica corriente en USA y Canadá normas ANSI: 120 V para sistemas de distribución (U N ≤ 34,5 kV). 115 V para sistemas de transmisión (U N ≥ 34,5 kV).

230 V para circuitos secundarios largos.

En nuestro país normalmente se emplea 115 V y 115/√ 3 V como tensión nominal secundaria.

Para transformadores monofásicos conectados fase-tierra en sistemas trifásicos donde la

tensión primaria es dividida por √ 3, la tensión secundaria de los valores mencionados también son

divididas por √ 3, con el fin de conservar el valor de relación de transformación nominal.

8.9.2. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

Para expresar la relación de transformación, solo se indica la tensión primaria y secundariade la siguiente manera:

Tensión nominal primaria Tensión nominal secundaria⁄

Para un transformador de potencial monofásico para conexión fase-fase, de un primario yun secundario se indica:

Ejemplo: 69 kV 115 V⁄

Para un transformador de potencial monofásico para conexión fase-tierra, para un sistematrifásico, de un devanado primario con tres devanados secundarios, se indica:

Ejemplo: 230√ 3 kV 115√ 3 V, 115√ 3 V, 115√ 3

Se pueden construir transformadores de potencial con varios devanados secundarios sobreel mismo núcleo, si bien la carga de uno de ellos influye en la precisión de los otros, no existenlimitaciones como en el transformador de corriente debido a factores de seguridad y de saturación.

8.9.3. POTENCIA DE PRECISIÓN (BURDEN)

Es el valor de la potencia aparente en volt-ampers (VA), a un factor de potencia especificado,que el transformador suministra en el secundario con la tensión secundaria nominal cuando estáconectado a su carga de precisión.

Para seleccionar la carga de precisión del transformador de potencial, se suman las potenciasque consumen las bobinas de tensión de los instrumentos conectados con el devanado secundario,más las pérdidas por las caídas de tensión que se producen en los cables de alimentación (Fig. 8.28).





Figura 8.28. Circuito equivalente de un transformador de potencial referido al primario.

Los valores normalizados, para un factor de potencia 0,8 (inductivo) son: 10 - 15 - 25 - 30 -50 - 75 - 100 - 150 - 200 - 300 - 400 – 500 VA, los valores subrayados son los más empleados.

En la práctica, la capacidad de los transformadores de potencial es muy variable, paratransformadores instalados en las barras colectoras se asume de 100 - 150 VA de acuerdo con el

número de líneas y en transformadores para salidas de línea se asume de 20 VA.

Debido interdependencia existente entre los secundarios de un transformador de potencial,es necesario especificar si las potencias son simultáneas o no, es decir, si uno de los secundariosestá cargado solamente durante cortos períodos de tiempo, puede admitirse que no son simultáneas.

Los devanados para medida y protección (para conexión en estrella) se consideran cargassimultáneas. El devanado de tensión residual no se considera como carga simultánea (se cargadurante fallas) y el efecto de su carga no se toma en consideración en la precisión de otros devanados.

8.9.4. FACTOR DE TENSIÓN NOMINAL

Es el valor por el cual se tiene que multiplicar la tensión nominal primaria, para determinarla tensión máxima a la cual el transformador de potencial deberá cumplir con los requerimientos deexactitud especificados.

El factor de tensión nominal y la tensión máxima de funcionamiento dependen del sistemay de la condición de puesta a tierra del devanado primario del transformador.

Tabla 8.5. Valores normalizados del factor de tensión nominal. Factor deTensión

Duraciónnominal

Modo de conexión del devanado primario y condicionesde puesta tierra del sistema

1,2 Continuo

Entre fases, en cualquier sistema.

Entre el punto neutro de los transformadores en estrella ytierra, en cualquier sistema.

1,2 Continuo Entre fase y tierra en un sistema con neutro efectivamente puesto a tierra.1,5 30 s

1,2 Continuo Entre fase y tierra, en un sistema con neutro no efectivamente puesto a tierra con disparo automático por fallas a tierra.1,9 30 s

1,2 Continuo Entre fase y tierra en un sistema con neutro aislado sindisparo automático por fallas a tierra, o en un sistema conneutro resonante sin disparo automático por fallas a tierra.

1,9 8 h

+

-

E1 = k·E2

P1

P2

S1

S2

I1 R1 X1

I0

Ife Im

Rfe Xm

I2 /k k2·X2 k2·R2

k: relación de transformación

Bobinas Voltimetricas en paralelo

V VA

+

-

+

-

U1 U2





En la tabla 8.5 se indica valores normalizados del factor de tension nominal y la duraciónadmisible de la aplicación de la tensión maxima de funcionamiento para diferentes condiciones de

puesta a tierra.

8.9.5. POTENCIA TÉRMICA

Es la potencia máxima en volt-ampers que un transformador de potencial puede suministraral circuito secundario, cuando se aplica la tensión nominal primaria, sin exceder los límites decalentamiento (se utiliza para proporcionar servicio local en pequeñas subestaciones).

Según la norma IEC en régimen permanente el calentamiento del transformador no deberásobrepasar los valores correspondientes a su clase de aislamiento para un factor de tensión de 1,2.

Además, si corresponde un factor de tensión de 1,5 ó 1,9 deberán ser ensayados a la tensiónresultante durante el tiempo indicado en la tabla 8.5, partiendo de las condiciones térmicas establesalcanzadas a 1,2 veces la tensión primaria nominal, sin exceder en 10°C el aumento de temperaturaadmisible.

8.9.6. CLASIFICACIÓN DE LOS ERRORESAl igual que los transformadores de corriente se debe tomar en cuenta el error cometido en

la relación de transformación y el desfase introducido entre los vectores de tensión del primario ysecundario.

Para evitar que los errores sean considerables, es necesario que la potencia total sumada delos instrumentos y cables conectados en el secundario del transformador de potencial no sobrepasela potencia de precisión nominal.

a)

Error de tensión (εu) Es el error que un transformador de potencial introduce en la medición de una tensión el

cual se incrementa cuando la relación de transformación no es igual a la relación nominal.

El error de tensión, se expresa en porcentaje (%) y está dado por la fórmula:ε = kN ∙ (U − U)U ∙ 100 [%] Donde:U1: Tensión primaria real, [kV].U2: Tensión secundaria real, [kV]k N: Relación de transformación nominal.

kN = UNUN

b) Error de fase (δu) Es el desfase entre los vectores de las tensiones primaria y secundaria, elegidos los sentidos

de los vectores de forma que el ángulo sea nulo para un transformador perfecto, normalmente seexpresa en min; se considera el error positivo si el vector secundario adelanta al vector primario.





8.9.7. CLASE DE PRECISIÓNLa clase de precisión se designa por el error máximo admisible que un transformador de

potencial puede introducir operando a tensión y frecuencia nominal.

a) Clase de precisión para medida

Se caracteriza por un número (índice de clase), que es el límite del error de tensión, seexpresa en porcentaje, para la tensión nominal primaria estando alimentado el transformador con lacarga de precisión.

Según las clases de precisión, los transformadores de potencial para medida son las siguientesy aplicadas en:

Clase 0,1: instrumentos para medición de precisión y calibración en laboratorio. Clase 0,2: mediciones en laboratorio y medidores de energía de alimentadores de potencia. Clase 0,5: alimentación para medidores de energía de facturación en circuitos de distribución

e industriales. Clase 1: alimentación a las bobinas de tensión de los instrumentos de medida en general,

indicadores o registradores. Clase 3: para usos en los que no se requiere una mayor precisión.

Tabla 8.6. Limites de error para transformadores de potencial para medida (IEC 60044-1).Clase de precisión Error de tensión [%] Desfase [Min]

0,1 ± 0,1 ± 50,2 ± 0,2 ± 100,5 ± 0,5 ± 201 ± 1 ± 403 ± 3 No especificada

Esta precisión debe mantenerse para una tensión comprendida entre el 80% y el 120% de latensión nominal con una carga comprendida entre el 25% y el 100% de la carga de precisión y conun factor de potencia de 0,8 inductivo.

En nuestro país, la clase 0,2 se utiliza para sistemas de potencia (potencias mayores a20MVA), clase 0,5 para medidores normales (potencias menores a 20 MVA). La clase 1 se utilizaal igual que los CT’s, para alimentación de las bobinas de los instrumentos indicadores industriales.

b) Clase de precisión para protección Se caracteriza por un número que indica el error máximo, expresado en porcentaje, al 5%

de la tensión nominal, seguido de la letra “P”.

Según clases de precisión, los transformadores de potencial para protección son las siguientesy se emplean en:

Clase 3P: alimentación a las bobinas de relés que exigen cierta precisión y no excesivoerror de fase (direccionales y de distancia).

Clase 6P: alimentación a las bobinas de los relés de sobretensión o subtensión, sinrequerimientos especiales en cuanto al error de fase.





Tabla 8.7. Límites de error para transformadores de potencial para protección (IEC-60044-1).

Clase de precisiónError en la relación de

tensión [%]Desfase [Min]

3P ± 3 ± 1206P ± 6 ± 240

Si un transformador de potencial va a ser utilizado para medida y protección, normalmenteno es necesario que existan dos devanados separados como en los transformadores de corriente, salvoque se desee una separación galvánica.

Por lo mencionado, la norma IEC, a los transformadores de potencial para protección se lesexige también que cumplan una clase de precisión como transformador de potencial para medida.

8.9.8. POLARIDAD DE LOS TRANSFORMADOR DE POTENCIALEs la identificación del borne primario y secundario, las marcas de polaridad indican cuales

tiene dirección común en el circuito para el flujo de corriente en cualquier instante de tiempo.

Los bornes de los devanados del transformador deben ser identificados con fiabilidad, segúnla IEC se indica el criterio a seguir para su nomenclatura, siendo aquellos bornes que empiecen conmayúscula A, B, C y N con idénticas letras, pero en minúsculas a, b, c y n del secundario (Fig. 8.29).

Transformador monofásico con un borne primarioy un solo secundario. Transformador monofásico con un secundariode tomas múltiples.

Transformador monofásicocon dos secundarios.

Transformador monofásico condos secundarios de tomas

múltiples.Transformador monofásicocon un secundario de tensión

residual.

Figura 8.29. Identificación de polaridad de los transformadores de potencial (IEC-60185).

Todos los bornes identificados con A, B, C, y a, b, y c deben tener la misma polaridad en elmismo instante para la conexión trifásica. Las letras da y dn identifican terminales de bobinadosdestinados a suministrar una tensión residual.

a

A N

n

da dn

A B ó N

1a2 1b ó 1n 1a1

2a2 2b ó 1n 2a1

1a

A B ó N

1b ó 1n

2a 2b ó 2n

A B ó N

a3 b ó n a2 a1 a

A B ó N

b ó n





8.9.9. CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIALLa conexión de los transformadores de potencial se realiza en función del tipo de

suministro y precisión deseada. En la figura 8.30 se muestra la conexión trifásica de lostransformadores de potencial monofásicos en estrella, utilizados en alta tensión.

Figura 8.30. Conexión estrella de los transformadores de potencial.

8.10. PRUEBAS DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIALLas pruebas que se realizan a los transformadores de potencial, según la norma IEC son los

siguientes:

a) Pruebas tipoEn estas pruebas se somete uno o pocos de los transformadores de cada tipo, considerando

las siguientes pruebas: Pruebas de elevación de temperatura Tensión soportada al impulso tipo rayo Tensión soportada al impulso de maniobra Pruebas bajo lluvia para transformadores tipo exterior Determinación de errores de acuerdo con los requerimientos de la clase de precisión. Pruebas de soporte al cortocircuito.

b) Pruebas de rutinaEstas pruebas deben realizarse a todos los transformadores de potencial y en el siguiente

orden:

Verificación de la identificación de las terminales Tensión soportada a frecuencia industrial en los devanados primarios Tensión soportada a frecuencia industrial en los devanados secundarios Tensión soportada a frecuencia industrial entre secciones Pruebas de descargas parciales Determinación de errores de acuerdo con los requerimientos de la clase de precisión.

R

S

T

R S T N

W

W

W





c) Pruebas especialesEstas pruebas se definen de mutuo acuerdo entre el comprador y el fabricante y pueden ser

la siguiente: Pruebas de impulso de rayo recortado.

8.11.

ESPECIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIALSe presenta a continuación la especificación de un transformador de potencial inductivo a

manera de ejemplo, se asumen algunos valores:

TRANSFORMADORES DE POTENCIALN° DESCRIPCIÓN UNIDAD ESPECIFICADO

DATOS GENERALES1 Tipo2 Altitud de instalación m.s.n.m. 30503 Norma de fabricación IEC4 Capacidad sísmica

DATOS NOMINALES Y CARACTERÍSTICAS1 Frecuencia nominal Hz 50

2Características de tensión: Tensión nominal del sistema kV 115 Tensión máxima de operación del equipo kV 145

3 Nivel de aislamiento (referidos a 1000 m.s.n.m.): Tensión soportada a frecuencia industrial kV 275 Tensión soportada a impulso de rayo kV p 650

4Factor de tensión nominal Permanente ≥ 1,2 Durante 30 segundos ≥ 1,5

5

Relación de transformación Tensión del devanado primario kV 115 /

√ 3

Tensión de los devanados secundarios kV 0,115 / √ 3 Numero de los devanados secundarios 3

6

Consumo y clase de precisión: Medición (un devanado) Clase/VA 0,2/50 Protección (dos devanados) Clase/VA 3P/50 Consumo simultaneo VA 150

AISLADOR 1 Tipo2 Material Porcelana3 Línea de fuga total mm4 Línea de fuga especifica mm/kV 25

ACCESORIOS

1 Accesorios de acoplamiento para onda portadora No2 Estructura soporte y conectores Si3 Pernos de anclaje para la estructura soporte Si4 Conectores terminales primarios Si7 Conectores de puesta tierra Si8 Placa de características Si

Nota: Los datos que no se indiquen en la columna “especificado”, el proponente debe consignar sus propios datos.





8.12. TRANSFORMADORES DE MEDIDA COMBINADOSLos transformadores de medida combinados, son unidades para servicio exterior, contienen

dentro de un mismo envolvente, un transformador de corriente y uno de potencial inductivo.

En la figura 8.31 se puede apreciar el corte transversal de un transformador de medida

combinado de la firma Alsthom

Figura 8.31. Transformador de potencial combinados de ALSTOM.

Estos transformadores son diseñados especialmente para ser instalados en lugares donde nose disponga de espacio suficiente para su instalación independiente, además se consigue ventajaseconómicas por el costo que representa el aislamiento especialmente en alta tensión.

En el diseño de transformadores combinados, se deben tomar en cuenta la influencia del

transformador de corriente sobre los errores del transformador de potencial y viceversa; dichainfluencia está tipificada en la norma IEC.

8.13. TRANSFORMADORES DE MEDIDA ÓPTICOSLas nuevas tecnologías y el desarrollo de la electrónica han permitido el diseño de nuevos

transformadores de medida de dimensiones compactas, de menor peso y además de una mayor precisión, con respecto a los transformadores de medida convencionales.

Base metálica

Caja de bornes secundarios

Grampas de fijación del aislador

Devanado primario PT

Devanado secundario PT

Aislador de porcelana

Aceite aislante

Aislación de papel aceite

Bobinado secundario CT

Bobinado primario CT

Devanados primarios

Nivel de aceite

Cubierta

Diafragma





Estos transformadores, emplean transductores ópticos pasivos como sensores de corriente ytensión conectados a través de cables de fibra óptica a una unidad de interface en la sala de control,los cuales entregan señales de magnitud adecuadas para los instrumentos de medida y protección.

Se construyen unidades basado en un Transductor Magneto - Óptico de Corriente (MOCT)

y el Transductor Electro - Óptico de tensión (EOVT) independientes o también combinadas en unaUnidad Óptica de Medición (OMU) monofásica.

8.13.1. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ÓPTICOSEl MOCT utiliza propiedades ópticas de la luz, emitida por un diodo emisor de luz (LED)

ubicada en la unidad de interface y transmitida al transductor por fibra óptica. La luz es alterada porel campo magnético, en su paso por el transductor debido a altas corrientes que circulan en el primario.

A continuación, la luz retorna a la unidad de interface, donde la intensidad de luz moduladaes procesada para generar una señal de salida analógica, proporcional a la corriente que circula porel transductor o sensor de corriente, ver figura 8.32.

Figura 8.32. Esquema básico del transformador de corriente óptico.

El sistema MOCT se compone de transductores ópticos en el lado de alta tensión, aisladoresde silicona que soportan al sensor y proporciona una transición para el cable de fibra óptica entre el

potencial de línea y tierra, además del cable de fibra óptica que transmite la luz hasta la sala de control.

Los MOCT’s utilizan un solo secundario y la unida

de interface multiplica la señal para su utilización enmedidores y relés de protección. Son de alta confiabilidad yestá sujeto a menos interferencias electromagnéticas.

En aplicaciones de medida, el MOCT satisface y

excede la clase de precisión 0,2 según la IEC 60185 para unamplio rango de corrientes desde 5 A hasta 4000 A comoequipo estándar. Para protección, se pueden obtenercorrientes de falla típicas de hasta 100 kA linealmente.

En aplicaciones simultaneas de medida y protecciónlas corrientes nominales de falla será especificada como un

Transductor

Fibra óptica

T

INT

Interface Utilización múltiple

de la señal

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Aislación




Figura 8.33. CT óptico de ABB. múltiplo, típicamente 60, de la corriente nominal.Por ser ligeros, los MOCT’s puede adaptarse a una gran variedad de diferentes posiciones

de montaje, pudiendo ser directamente montados sobre los interruptores, seccionadores u otrosequipos de alta tensión.

8.13.2.

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL ÓPTICOSSimilar al MOCT, la luz emitida por un diodo emisor de luz al sensor de tensión, es alterada

por el campo eléctrico debido a la diferencia de potencial existente entre el conductor de alta tensióny tierra, la intensidad de luz es función de la magnitud de la señal de tensión del sistema.

Los EOVT’s no necesitan de un divisor capacitivo y se aplica toda la tensión entre la líneay tierra permitiendo la medición de la tensión real a través del transductor, ver figura 8.34.

Figura 8.34. Esquema básico del transformador de potencial óptico.

El transductor del EOVT están localizados entre el potencial de línea y tierra, contenidosen el interior de aisladores de silicona. El volumen interior está aislado en un ambiente presurizadoen SF6 que provee la rigidez dieléctrica necesaria para la tensión de línea a tierra.

La precisión de medición excede la clase 0,2 de acuerdo IEC 60186 con una carga de precisión de 75 VA.

8.13.3.

TRANSFORMADORES DE MEDIDA COMBINADOS ÓPTICOSEl elemento sensor óptico de corriente (MOCT) es montado en la parte superior del aisladorde alta tensión en una caja de protección, mientras que el sensor óptico de tensión (EOVT) seencuentra alojado en un ambiente sellado relleno de SF6.

Las conexiones entre los sensores MOCT y EOVT en el OMU y las unidades interfaces enla sala control son vía fibra óptica.

Los transformadores de medida ópticos, debido a los elevados precios, al poco conocimientode la fiabilidad, el mantenimiento y la respuesta en el tiempo de estos dispositivos están tardandoen ser implementados en instalaciones actuales.

Aislación INT

V

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de la señal

transformadores de medida

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