Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Asignatura Protección y Coordinación de Sistemas de Potencia. Tema: Transformadores de Instrumento.

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1 Tema: Transformadores de Instrumento. I. OBJETIVOS. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Asignatura Protección y Coordinación de Sistemas de Potencia. o o o o o Determinar la polaridad de los transformadores de corriente. Utilizar el transformador de corriente como una fuente de corriente constante. Establecer la corriente residual en los transformadores de corriente. Conectar y utilizar transformadores de corriente en sistemas de 3 hilos, 4 hilos. Determinar las características de un transformador de voltaje. II. INTRODUCCIÓN. Transformadores de Corriente. Los transformadores de instrumentos tienen la tarea de convertir grandes valores de corriente y voltaje a valores pequeños que son fácilmente aplicables para los propósitos de medición. Los relevadores de sobrecorriente se conectan al elemento protegido a través de transductores primarios de corriente que, proporcionan el aislamiento necesario entre los circuitos primarios y secundarios y suministran a los relevadores señales reducidas de corriente o voltaje proporcionales a la corriente primaria. Existen en la actualidad, distintos tipos de transductores primarios de corriente, entre los cuales están: los electromecánicos que transforman corriente en corriente, los transductores que transforman corriente en voltaje, transductores magnéticos que son sensores de campo magnético de los conductores de línea, los opto eléctricos, en los que la corriente se convierte en señal lumínica y los denominados discretos la información se transmite en forma discreta. Los transformadores de corriente por su aplicación pueden subdividirse en transformadores de medición y protección, no obstante los transformadores de corriente en ocasiones se diseñan para realizar ambas funciones. Su corriente nominal por secundario puede ser de ó 5 Amperios. Este último valor es el más usado en la práctica. Las cargas se conectan en serie en los transformadores de corriente, la cual es una diferencia sustancial con los transformadores de potencial y de potencia. Transformadores de Potencial. Las mediciones de voltajes en sistemas con voltajes nominales arriba de 000 Voltios, pueden realizarse utilizando transformadores de voltaje. El tipo inducción del transformador es tan pequeño en construcción con una exactitud de relación de transformación, que para todos los propósitos prácticos se operan en condiciones sin carga. La relación de transformación viene dada por la siguiente expresión, la cual se determina por el número de vueltas de los devanados: V N = V2 N2 GUÍA 2 Pág. Pág.

2 La anotación de los terminales usados para transformadores de voltaje, es U-V para el devanado primario y u-v para el devanado secundario. Ambos terminales están completamente aislados a tierra. Un solo polo aislado de los transformadores esta etiquetado con X y el no aislado con U (Figura 2.). U Fu =00 2 K N U - U Figura 2.: Transformadores de potencial aterrizados. Los transformadores no se cortocircuitan, un cortocircuito en el secundario del transformador destruirá al transformador. Para proteger el lado de alto voltaje se utilizan fusibles HV y también en el lado del secundario se utilizan fusibles de acuerdo a capacidad. Los transformadores de voltaje deben ser aterrizados en el secundario para protegerlo de altos voltajes en caso de cortocircuitos entre el primario y secundario. Las conexiones a tierra deben ser seleccionadas de acuerdo a la magnitud de una posible corriente de cortocircuito. En transformadores de un polo, el terminal X debe ser aterrizado. El voltaje de error de un transformador de voltaje es, el porcentaje de desviación del secundario multiplicado por la relación de transformación del transformador. El error de voltaje se calcula como positivo, si el valor actual del voltaje secundario excede el valor de referencia. El voltaje de error de un transformador de voltaje esta dado por: Donde: Fu: error de voltaje en %. U : voltaje primario en voltios. U 2 : voltaje secundario en voltios. K N : relación de transformación nominal. La clase de exactitud de los transformadores de voltaje para mediciones y aplicaciones de protección, se identifica por un número que da el límite del porcentaje del error de voltaje del voltaje nominal. La relación de transformación de cada transformador de voltaje se selecciona para que bajo condiciones normales de operación (simetría), el voltaje producido en la conexión serie de los devanados auxiliares es 00 V / 3 = 33.3V, con un cambio de fase de 20º entre cada devanado. Bajo condiciones normales de operación la suma de los tres voltajes es cero. El devanado secundario produce un voltaje de 00 V / 3 = 57.8 V. La relación de transformación es: U / 3 : 00 V / 3 : 00 V / 3. GUÍA 2 Pág. Pág. 2

3 Polaridad del transformador. La polaridad de un transformador es la característica que describe la dirección relativa de las componentes de voltaje y corrientes de carga en los devanados del transformador. En casi todos los transformadores hay alguna forma de marca, suministrado por el fabricante, para indicar estas propiedades direccionales. Estas marcas se conocen como marcas de polaridad. Cuando existe duda de las marcas de polaridad del transformador puede verificarse con una prueba sencilla, que solo requiere mediciones de voltaje con el transformador sin carga. En esta prueba de polaridad, aplica el voltaje nominal a un devanado, generalmente al que resulte más conveniente para la fuente de voltaje disponible. Se establece una conexión eléctrica entre un terminal de un devanado y del otro. Por lo general las terminales se conectan físicamente más próximas de cada devanado. Enseguida se mide el voltaje entre las terminales restantes, una de cada devanado. Si este voltaje medido es mayor que el voltaje de prueba de entrada, a la polaridad se le llama aditiva y si es menor, se le llama sustractiva. Esta prueba se muestra en la siguiente Figura 2.2. I tc = I nom 2 nom Figura 2.2: Esquema para realizar la prueba de polaridad. Otro de los parámetros fundamentales de los transformadores de corriente es su relación nominal de transformación dada por: Su selección puede hacerse (como una primera aproximación) sobre la base de que la corriente máxima esperada por el secundario en régimen normal sea menor que la corriente nominal del secundario. Es necesario comprobar el comportamiento del transformador de corriente en régimen de cortocircuito para determinar si en esas condiciones los errores no son excesivamente grandes, de modo que no afecten el esquema de protección. Las normas establecen dos tipos de errores: El error de transformación de corriente (Eti). El error angular de corriente (EA). Eti = tc I I 2 - I *00 EA = ( tc I2 I ) dt n tc I2 I: es la diferencia angular entre el fasor de corriente real secundaria referida al primario y la corriente nominal primaria. n tc : relación de transformación. I : corriente primaria. I 2 : corriente secundaria. GUÍA 2 Pág. Pág. 3

4 La corriente residual. En un sistema de tres hilos, la suma de corrientes es cero, en un sistema de cuatro hilos, usando este método, la corriente en el cuarto (en el neutro o una corriente de falla a neutro) puede ser medida. Para cálculos en cargas asimétricas o fallas en una fuente trifásica, se usa un método con componentes simétricas en sistemas de cuatro alambres, ocurre un sistema de secuencia de fase cero, esta corriente de secuencia de fase cero, es: Io = ( I+ I 2 + I 3 ) 3 Puede también ser determinada con una medición de suma de corrientes, como lo muestra esquemáticamente la Figura 2.3. III. MATERIALES Y EQUIPO. IV. PROCEDIMIENTO. Figura 2.3. No. Cantidad Descripción Current Transformer Set SO 323 L 2 Carga resistiva SE N (o SE P) 3 Set de transformador de voltaje trifásico SO W 4 Transformador de voltaje Standard SO X 5 Cut Out Switch 4 pole SO 323 W 6 Movin Iron Anmeter / 5A SO 322 7U 7 2 RMS METER SO 527 L 8 Fuente trifásica AC variable ST M 9 Capacitor SO S 0 Resistencias de 5 Ohmios Osciloscopio 2 Starter SO 323 6B Tabla 2.: Materiales y equipo. Parte I: Prueba de polaridad. Paso. Determinar la polaridad del set de transformadores de corriente, realizando la conexión eléctrica que se presenta en la Figura 2.4. Figura 2.4: Prueba de polaridad. GUÍA 2 Pág. Pág. 4

5 Paso 2. Qué tipo de polaridad presenta:. Paso 3. Explique el por qué de la respuesta anterior: Parte II: Prueba de polaridad: Golpe inductivo. Paso. Arme el circuito de la Figura 2.5. Figura 2.5: Prueba de polaridad con corriente continua. Paso 2. Con la fuente de corriente continua variable coloque a la salida un capacitor DC que soporte el voltaje de alimentación. Tenga el cuidado que la fuente de alimentación esté ajustado a cero. Paso 3. Ajuste el medidor en la escala de corriente medir la corriente en el devanado primario del transformador de prueba. Paso 4. Ajuste la salida de la fuente de alimentación hasta obtener una corriente máxima de Amperio en el amperímetro conectado en el devanado primario. Paso 5. En forma alterna abra y cierre SW y anote la polaridad del pulso medido en el medidor analógico cuando SW se cierra. Parte III: Curva característica del transformador de corriente estándar. Paso. Ensamble el circuito de la Figura 2.6. Figura 2.6: Circuito para verificar la corriente de un transformador de corriente estándar. Paso 2. Ajuste la corriente del primario I, por medio del voltaje de la fuente variable y con la carga resistiva. GUÍA 2 Pág. Pág. 5

6 Paso 3. Mida I2 en función de I y llene los datos en la Tabla 2.2: I ( A ) I2 ( A ) Tabla 2.2. Parte IV: Transformadores de corriente en un circuito trifilar sistema trifásico. En un sistema trifilar I L + I L2 + I L3 = 0, lo que implica que I L = - ( I L2 + I L3 ). Cuando dos corrientes se conocen, la tercera puede calcularse. Sólo dos transformadores de corrientes se requieren. Paso. Ensamble el circuito de la Figura 2.7. Figura 2.7: Dos transformadores de corriente en un sistema trifásico. Paso 2. Con la fuente variable, coloque la corriente I e I2 en 0.3 Amperios. Mida I3. I = I2 = 0.3 Amperios. I3 = Amperios. Paso 3. Sin cambiar el voltaje de la fuente variable, corte la fase de la línea una después de la otra y mida la corriente I, I2 e I3. Fases I ( A ) I 2 ( A ) I 3 ( A ) L Abierto 0 L2 Abierto 0 L3 Abierto 0 Tabla 2.3. Parte V: Transformadores de corriente en sistema de 4 hilos. Paso. Construir el circuito que se muestra en la Figura 2.8 y ajustar el transformador variable para que I = 0.3 Amperios. GUÍA 2 Pág. Pág. 6

7 Figura 2.8: Transformadores de corriente en sistema de cuatro hilos. Paso 2. Medir las corrientes I, I2 e I3: I = Amperios. I 3 = Amperios. Paso 3. Cambiar el punto neutro de los transformadores de corriente como se muestra en la Figura 2.9 y mantener I en 0.3 Amperios. Figura 2.9: Transformadores de corriente en sistema de cuatro hilos para un punto neutro diferente. Paso 4. Medir las siguientes corrientes: I = Amperios. I 3 = Amperios. GUÍA 2 Pág. Pág. 7

8 Paso 5. Qué sucede?. Parte VI: Medición en un sistema principal de tres alambres. Paso. Construya el circuito de la Figura 2.0, observe bien el diagrama y note que el neutro no se conecta. Paso 2. Colocar RV a 0. Io = ( I+ I 2 + I 3 ) 3 Figura 2.0: Circuito para establecer la corriente residual. Paso 3. Lentamente incremente el voltaje en la fuente de alimentación hasta IL =.5 Amperios. Paso 4. Mida el valor de I 2. Paso 5. Varíe RV desde 0 hasta 8 y observe el amperímetro para I 2. Parte VII: Medición de un sistema de cuatro alambres. Paso. Conecte la cuarta línea (línea neutro) en la Figura 2.0, coloque RV a 0 e IL a.5 Amperios. Paso 2. Mida el valor de I 2. Paso 3. Coloque RV en 8 e IL en 0.3 Amperios. Paso 4. Con los datos tomados en la Parte VI y VII, calcule la corriente de secuencia cero: Io = Amperios. GUÍA 2 Pág. Pág. 8

9 Parte VIII: Características U 2 = F ( U ) Y U = F ( I ). Paso. Construya el circuito de la Figura 2.. Figura 2.: Conexión de transformador para verificar características normales. Paso 2. De los valores U dados en la Tabla 2.4, mida el voltaje secundario U2 y U2N, así como también la corriente del primario I. U (V) U N (V) U 2 (V) U 2N (V) I (ma) Tabla 2.4: Características estándar de los transformadores de potencial. V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.. De los resultados obtenidos en la Parte I, dibuje el transformador con su punto de polaridad. 2. De los resultados obtenidos en la Parte II, dibuje el transformador con su punto de polaridad. 3. Con papel milimétrico dibujar la curva característica el transformador de corriente de la Parte III. 4. Grafique U 2 = f ( U ), U 2N = f ( U N ) y U N = f ( U ) de la Parte VIII. 5. Presente todos los cálculos hechos con los datos de la prueba. 6. Dibuje el circuito equivalente de cada transformador. 7. Calcule la relación de transformación para los transformadores usados. VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA. ) Con respecto a los transformadores, Qué otra prueba de polaridad conoce, descríbala y utilice esquemas en su explicación?. 2) Qué tipos de transformadores de corriente existen en el mercado?. 3) Existe alguna diferencia entre transformadores de instrumentos y transformadores de corriente. 4) Que sucedería si a un TC s se le coloca un fusible de protección a la salida del secundario, es correcto hacerlo, explique. GUÍA 2 Pág. Pág. 9

10 5) Como se representa simbólicamente en las diferentes normas eléctricas los transformadores de potencial y los transformadores de corriente. 6) Cuáles son las precauciones que se deben de tener al conectar y manipular los TC's en un circuito energizado?. 7) Qué tan importante es conocer las polaridades de los transformadores?. VII. BIBLIOGRAFÍA. C.R. Paul, Nasar S. A., Unnewerh L.E. Introducción a la Ingeniería Eléctrica. Carlson A. Bruce, Gisser David G. Electrical Engineering Concepts and Applications. Addison- Wesley Publishing Company. IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems. Buff Book Standard.994. Investigar al menos tres diferentes normas. GUÍA 2 Pág. Pág. 0