3. Dispositivos de protección. Chilet. Transformadores de protección

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1 . Dispositivos de protección Por: Ing César Chilet Transformadores de protección 1

2 Transformadores de protección Reducir las corrientes y tensiones del sistema primario a niveles, que los circuitos de medición y protección puedan manejar. Aislar los dispositivos secundarios de los circuitos primarios de Alta tensión. 160 Transformadores de protección Hacer posible el uso de medidores y relés secundarios estandarizados. Proteger medidores sensibles de sobrecarga. Hacer posible centralizar los sistemas de medición y protección

3 Transformadores de corriente Transformadores de corriente La norma IEC 187 describe las características nominales y otros valores de los transformadores de corriente. El nivel de aislamiento está basado en la tensión nominal de la red. 16

4 Conexiones de los transformadores de corriente T.C. UN SOLO NÚCLEO T.C. DE NÚCLEOS P1 S1 A P1 1S1 1S2 A Núcleo y devanado de medición P2 S2 C1 C2 2S1 2S2 R1 Núcleo y devanado de protección P1 T.C. DE 2 DEVANADOS PRIMARIOS S1 P2 P2 S2 S1 S2 R2 Núcleo y devanado de protección 164 Corriente I th soportable de corta duración La corriente I th capaz de resistir durante una corta duración es el valor eficaz (r.m.s.) de la corriente primaria, que el Transformador de corriente puede soportar durante 1 segundo. El secundario del Transformador de Corriente debe estar cortocircuitado durante esta prueba

5 Corriente pico soportable La corriente I dyn pico soportable es el valor pico de la corriente primaria, que el Transformador de Corriente resiste mecánicamente. 166 Corriente primaria nominal Los valores de la corirente primaria nominal normalizada I pn son 10-12, A y sus múltiples decimales. Generalmente la corriente nominal primaria deberá ser seleccionada un tanto más grande que la corriente de carga continua permisible. El factor de sobrecarga es sólo 20%

6 Corriente secundaria nominal Las corrientes secundarias nominales más comunes I SN son 1A y 5A. 5A es usual en sistemas de M.T. En Europa, 1A es cuando en todos los nivels de tensión arriba de 110 kv para minimizar el BURDEN (carga) de los alimentadores. 168 Error de relación de transformación Para T. C. para propósitos de medición y protección el error está definido. Este error es calculado por la fórmula: 100 ( K n I S I p ) F i = I p Donde: K n = relación de transformación nominal del T.C. I pn /I sn I p = Valor eficaz (r.m.s.) de la corriente en el primario I s = Valor eficaz (r.m.s.) de la corriente en el secundario

7 Error angular I 1 δ I 2 Error de magnitud = I K 1 I 2 El error angular es la diferencia angular entre la corriente de fase secundaria y la corriente de fase primaria. El error es positivo si el fasor corriente secundario está en adelanto respecto al fasor de corriente primario. 170 Burden nominal del T. C. La potencia nominal S n del T.C. Está definido como la potencia aparente en VA, la corriente nominal y el BURDEN. Esta potencia no debe ser excedida en operación, es decir la suma de los BURDENS de todos los dispositivos conectados al T.C. más la carga de los alimentadores no deben ser más grandes que la potencia nominal S n. Los BURDENS nominales preferidos de los T. C. son: 2, 5, 10, 15, 0, 45, 60 VA

8 Clase Burden x S N Cosφ I 1 x I 1N Error de magnitud % Error de fase ± min. Error total % 0,1 0,25-1 0,8 Ind 0,05 0,2 1,0 1,2 0,4 0,2 0,1 0, Clase de presición de los transformadores de corriente 0,2 0,25-1 0,8 Ind 0,5 0,25-1 0,8 Ind 1 0,25-1 0,8 Ind 0,05 0,2 1,0 1,2 0,05 0,2 1,0 1,2 0,05 0,2 1,0 1,2 0,75 0,5 0,2 0,2 1,5 0,75 0,5 0,5,0 1,5 1,0 1, ,5-1 0,8 Ind 0,5 1,2 0,5 1, P 1 0,8 Ind 1 n P 1 0,8 Ind 1 n Error total porcentual 5 P y 10 P son las clases de exactitud principalmente usados para núcleos de protección. P indica que es para protección y el número significa el error en porcentaje total e c definido por el rango entero de sobrecorriente. Donde: e c K n Relación de transformación nominal del T.C. Ipn/Isn i p (t) Valor instantáneo de la corriente primaria. i s (t) Valor instantáneo de la corriente secundaria. I p Valor eficaz de la corriente primaria. T Período de la frecuencia nominal del sistema. 2 [ K i ( t ) i ( t )] 1 T 100 n s = T I p p dt 17 8

9 Factor de sobrecorriente nominal F SN El factor de sobrecorriente nominal F SN expresa la respuesta a la sobrecorriente del núcleo del T.C. Es el múltiplo de la corriente nominal primaria (I PN ) en la cual el error total ec al BURDEN nominal no excede el 5% para transformadores de corriente clase 5P y 10% para T.C. Clase 10P. 174 Representación del factor de sobrecorriente nominal (F SN ) I I 2 2N Fg < - 10% Fg < - 5% 5P20 10P I I 1 1N 175 9

10 Burden secundario real del transformador de corriente Si la corriente secundaria nominal del T.C. Y la corriente nominal del relé son diferentes, la potencia nominal del relé debe ser cambiado por la correspondiente corriente nominal del transformador de corriente. Esto puede ser realizado con la siguiente fórmula: 2 I SN Sm = SrN I Donde: rn S rn = Potencia nominal del relé a la corriente nominal I rn I rn = Corriente nominal del relé I SN = Corriente secundaria nominal del T.C. S m = Burden del relé a la corriente I SN. 176 Burden causado por los alimentadores Transformadores de corriente en las fases, tienen un conductor común de retorno, para la corriente nominal secundaria I SN = 1A Donde: S CU Burden debido a los conductores de cobre. S AL Burden debido a los conductores de aluminio. l S CU l = 0,0192 A ( VA) S AL Distancia en el T.C. y el relé (m). A Calibre del conductor (mm 2 ) l = 0,000 A ( VA)

11 Dos transformadores de corriente Dos transformadores de corriente, uno en cada fase, que tienen un conductor común de retorno. Para una corriente secundaria nominal I SN = 1A S cu = l A l A 0,02 ( VA) = 0,0520 ( VA) S AL 178 Factor de sobrecorriente efectivo Donde el BURDEN secundario real de un T.C. difiere del BURDEN nominal.el factor de sobrecorriente efectivo (F s ) varía de acuerdo a la siguiente ecuación: Donde: F s = F SN S S i i + + S S N K S i = BURDEN propio del T.C. En V.A. Aproximadamente 0,1 S N S N = BURDEN del T.C. Nominal en (VA) S K = BURDEN secundario real incluyendo el BURDEN de los alimentadores (VA) F SN = Factor de sobrecorriente nominal El factor de sobrecorriente efectivo puede ser incrementado reduciendo el BURDEN S K

12 Diferentes métodos de conexión de T.C. s para propósitos de protección Conexión Y Corriente por fase Conexión V Corriente de fase 180 Diferentes métodos de conexión de T.C. s para propósitos de protección Conexión Holmgren Corriente neutral Conexión Delta Corriente de Línea

13 Diferentes métodos de conexión de T.C. s para propósitos de protección Longitud diferencial Corriente diferencial 182 Transformadores de potencial 1

14 Transformadores de tensión Los transformadores de tensión reducen la tensión del sistema primario con errores de relación y angular pequeños a un nivel en el cual los circuitos de medición y protección pueden manejar. Ellos también proveen el aislamiento entre la alta tensión del sistema primario y los dispositivos conectados a los secundarios. Las normas IEC 186 e IEC 186A describe las características nominales de los transformadores de tensión. Una distinción es también el hecho entre la clase de precisión de un transformador de potencial para medición y uno para protección. 184 Porcentaje de error de magnitud de Tensión F u El porcentaje de error de tensión es definido por: Donde: F U = 100 ( NU U ) N n Relación de transformación nominal (U 1N /U 2N ) U s Valor eficaz (r.m.s.) de la tensión en el secundario U p Valor eficaz (r.m.s.) de la tensión en el primario n U P S P

15 Error angular δ U El error angular δ U está definido como el desfasaje angular entre los fasores de tensión U p y U s. 186 Transformador de tensión Tensión primaria U U U Tensión nominal primario U Tensión nominal secundario 100 V V V Conexión delta abierta para medir la tensión homopolar Uo Devanado primario Devanado secundario

16 Tensión nominal del primario U pn La tensión nominal del primario es normalmente la tensión nominal del sistema de potencia. Los valores primarios nominales normalizados son:, 6, 10, 20, 0, 45, 110, 220, 80 KV para T.P. Conectados entre fases. Para T.P. Conectados entre fase-tierra, la tensión nominal del primario es la tensión del sistema de potencia dividido entre. 188 Clase de precisión de T.P. para medida CLASE 0,1 0,2 0,5 1 Error de magnitud ± % 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 Error angular ± minutos Tensión del primario debe estar entre % El BURDEN puede variar entre % S N

17 Clase de precisión de los T. P. para protección Los T.P. Empleados para propósitos de protección deben de cumplir una precisión normal demandada (exigida) Las clases son llamadas P ó 6P. Los errores límites deben ser mantenidos sobre el rango 0,05 U N < U N < K N U N, cuando el BURDEN varie entre 25% 100% S N CLASE P 6P Error de magnitud ± % 6 Error angular ± minutos Tensión nominal del secundario U SN Las bobinas del secundario son con el propósito de los siguientes usos: Bobina de medición sólo para propósitos de medición Bobina de protección puede ser usado para ambos propósitos: medición y protección Bobina delta abierto es sólo con el propósito de protección

18 Tensión nominal del secundario U SN Muchos T,P. Tienen 2 devanados secundarios. Uno para medición de tensión fase-tierra, el otro para medición de tensión homopolar durante fallas a tierra. A causa de que dos bobinas separadas tienen un núcleo común, la carga de una de las bobinas afecta la precisión de la medición de las otras bobinas. 192 Tensión secundaria normalizada de T.P. Bobinas de medición y protección Delta abierto Bobina primaria conectada entre fases 100 V ó 200 V Bobina primaria conectada entre fase - tierra ó ó 19 18

19 BURDEN nominal de los T.P. El BURDEN nominal de los T.P. es la carga promedio más grande, a la tensión nominal primaria, que puede ser conectada al secundario. Los valores típicos son: 10, 15, 25, 0, 50, 75, 100, 150, 200, 00, 400 y 500 VA. La potencia nominal del devanado delta abierto será, donde S es la potencia total permitida S para las bobinas. 194 Factor de sobredimensionamiento del núcleo de protección K N El factor de sobredimensionamiento K N expresado como múltiplo de la tensión y el tiempo que un T.P. puede ser usado a la tensión primaria, el cual es K N x TENSIÓN NOMINAL PRIMARIA

20 Sobredimensionamiento Factor K N Tiempo Continuo Continuo 0 s Continuo 0 s Continuo Conexión de la Bobina primaria y tierra del Sistema de Potencia Entre fases Entre neutro del transformador y tierra del total de la red. Entre fase y tierra en redes solidamente a tierra Entre fase y tierra sin aterramiento efectivo. Disparo de la protección por falla a tierra. Entre fase y tierra. Redes con neutro aislado. Redes compensados h La protección no dispara por falla a tierra. 196 Diferentes formas de conectar T.P. para propósitos de protección Designación del circuito según la variable a medir Circuito Tres tensiones por separado, tensiones de fase, conexión en Y. Tensiones de línea y de fase. Dos tensiones por separado, dos fases, conexión en V. Tensiones de fase

21 Diferentes formas de conectar T.P. para propósitos de protección Designación del circuito según la variable a medir Las tres tensiones por separado, una fase, con dos devanados secundarios. Circuito Uo Tensiones de fase, línea y homopolar Tensión monofásica G Tensión homopolar Uo 198 Protección con fusibles 21

22 Fusibles Esencialmente protegen contra cortocircuitos. Es el método de protección más antiguo. Se basa en el incremento de temperatura que sufre el elemento fusible, al pasar la sobrecorriente. El tiempo de fusión es inversamente proporcional a la sobreintensidad. 200 Fusibles - Ventajas VENTAJAS : Es un método de protección simple. Relativamente económico. Limita y extingue las corrientes de cortocircuito en menos de 5ms. Reduciendo así las solicitaciones térmicas y dinámicas en la instalación. Su funcionamiento es independiente. I IS Ic t1 tt t2 t

23 Fusibles - desventajas DESVENTAJAS : Falta de precisión. Envejecimiento Tiempos de operación demasiado prolongados para las sobrecargas. t Curvas características Tiempo mínimo de fusión Tiempo total de aclaramiento I 202 Clasificación de los fusibles Clasificación Fusibles de expulsión (tipo N, K, T ) Limitadores de corriente Otra clasificación Fusible de potencia (2,18 kv kv). X/R=10-25 Fusible de distribución (5,2 kv - 8 kv) X/R=

24 Selección de los fusibles de distribución Los Fusibles rápidos (K) desconectan al sistema de fallas en menos tiempo y coordinas mejor con los relés. Los Fusibles Lentos (T) soportan corrientes transitorias mayores (corrientes de arranque, carga fría, etc.) y coordinan mejor con otros fusibles de la misma clase y de clase diferente. Para la selección se debe considerar: La máxima carga normal. La corriente de arranque La carga fría. 204 Consideraciones de selección Para la selección se debe considerar: La máxima carga normal. La corriente de arranque La carga fría. Para seleccionar la tensión adecuada del fusible se debe tener en cuenta : Conexión del sistema Tensión del sistema. Conexión de los transformadores del sistema. Tipo de aterrizaje a tierra

25 Capacidad de los fusibles de distribución Según NEMA, los fusibles de distribución pueden llevar una carga continua de 150% de su valor nominal. Cabe indicar que para temperaturas ambientes extremas y precargas grandes afectan las curvas t-i, por lo tanto deben de considerarse en caso de tenerse estas condiciones. I NOMINAL ( K o T ) I CONTINUA ( A )

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