Figura N 1 Conexión del Primario en serie con la carga

Transcripción

1 BASE TEORICA Transformadores de corriente Los Transformadores de Corriente (TC) vistos en teoría se utilizan para reducir los valores de intensidad a fin de alimentar instrumentos de medida, lo que implica menor riesgo para el operador y menor costo. La particularidad esencial del transformador de corriente es que mientras su secundario está cargado con una impedancia sensiblemente constante, su primario permanece en serie con la carga del circuito principal (ver figura n 1). Esto implica que para que el TC pueda hacer circular una corriente proporcional a la primaria por la impedancia secundaria, deberá, para cada valor de aquella, ajustar la tensión secundaria en forma automática. Figura N 1 Conexión del Primario en serie con la carga Mientras que el transformador de intensidad trabaje con una corriente no mayor a la nominal, resultará: Zmag (Impedancia magnetizante) muy elevada, pues la corriente que deriva por la rama de magnetización Imag es muy pequeña. Pero si se produce un aumento de la corriente del sistema, traerá aparejado un aumento de la tensión secundaria del transformador, la cual, en cada caso, será igual a la

2 corriente secundaria por la impedancia secundaria, y por lo tanto un aumento de la corriente de magnetización. Los TC se utilizan para 2 servicios: Medición y Protección. Medición En el secundario del transformador están conectados los instrumentos de medición como son los: amperímetros y bobinas amperimétricas de vatímetros, cosfímetros, que darán, a través de la relación de transformación, la corriente del primario obteniendo valores de los parámetros necesarios para el control. Interesa que todos los valores en condiciones normales a través del TC se tengan en la medición. En condiciones de falla (cortocircuito) no debe reflejar corriente, es decir debe saturarse porque se quemarían los instrumentos. Protección En condiciones de falla (cortocircuito) necesitamos que las protecciones de líneas de trasmisión, de generadores, de transformadores, etc. vean la falla y actúen sacando de servicio al elemento protegido. En el secundario del transformador se deberá reflejar fielmente la corriente de cortocircuito que está pasando por el primario. Este secundario alimenta las bobinas de los distintos relés que producen la señal de apertura del elemento protegido. De las 2 utilidades que tiene el TC se deduce que para cada una de ellas habrá que cumplir condiciones diferentes: 1) La prestación del TC, que se ha definido, como el conjunto de aparatos que puede conectarse en serie en el secundario, es menor en el caso de medición que en el de protección, ya que los instrumentos de medida consumen menos que los relés.

3 2) La clase, que está dada por el error de módulo del transformador, es mayor en medición, ya que los instrumentos deben dar valores lo más exactos posibles. Mientras que en protección, los relés que son aparatos más burdos, no necesitan exactitud, sino valores aproximados de corriente. 3) El coeficiente k de saturación que indica hasta dónde la curva de saturación es lineal, es mucho mayor en el núcleo de protección que en el de medición, ya que aunque tenga 10 o 20 veces la corriente nominal en el primario, como ocurre en el caso de cortocircuito se reflejen el secundario en forma proporcional. Es decir, que el TC de protección no debe saturarse en el cortocircuito. Por lo tanto la placa de característica de un TC dirá lo siguiente (generalmente): Medición Protección Potencia 30 VA 60 VA Clase Coeficiente de saturación n = 5 n = 10 Razón de / / 5 transformación A A Tensión Nominal 15 kv 15 kv Normalmente, los TC vienen con dos o más núcleos es decir que cumplen con los dos tipos de servicios, entonces la relación de transformación será / 5 5 ó /1-1. La relación de transformación también nos está diciendo que el TC tiene un primario dividido en 2 secciones, que se podrán conectar en serie para que nos dé 100/5 A ó en paralelo 200/5 A. Las prestaciones normalizadas en [VA] de los TI para protección y medición son:

4 Medición: Medición y Protección: Protección: Las clases que se fabrican son: Para Laboratorio: 0,1-0,2-0,5 Para Protección: 1 1,5 3 En general las normas establecen como corriente secundaria nominal de 5 A para baja y media tensión (BT y MT) y 1 A para redes de AT (alta tensión). En este caso, debido al espacio requerido para este tipo de instalaciones hace que las distancias entre los TC y los tableros de equipos con ellos asociados, resulten muy grandes, por lo cual una corriente secundaria menor de 1 A permite el uso de conductores pilotos de menor sección para una prestación dada. Cuando se expresa que un TC es de clase 0,5, por ejemplo, según norma IRAM 2025 significa que su error de de relación (o modulo) es de +/- 0,5 % y que en la medida de una corriente eléctrica, el margen de error máximo que se comete por la conexión del TC es de +/- 0, 5 %. Más complejo es el concepto del ángulo de error, que tiene marcada influencia en la determinación de la potencia eléctrica. Para disminuir en todo lo posible los errores en los TC para medición, es necesario disminuir I0 (corriente magnetizante), que es el origen de todos ellos. Para esto es necesario emplear un hierro de buena calidad, es decir con una gran permeabilidad (µ), esto lleva a inducciones bajas lejos del codo de saturación k < 5 y sobre todo un gran número de espiras, pues, de esta manera siendo la fmm. F = N* I0, para que la fuerza magnetomotriz sea constante, considerando que I0 debe disminuir N debe aumentar (numero de espiras).

5 En conclusión, un buen transformador deberá tener gran cantidad de hierro de buena calidad magnética y bastante cobre, en otras palabras, el problema es, de orden económico. Así utilizando aleaciones especiales, se pueden construir TC con errores prácticamente despreciables. De este tipo son las aleaciones de Fe-Ni permalloy, Hypermit numetal con grano orientado, que a baja inducción tienen una permeabilidad magnética. muy elevada en, comparación a la de los mejores hierros al silicio usados anteriormente. Esto permite construir TC, a igualdad de condiciones con núcleos que pesan 5 ó 6 veces menos que los TC análogos construidos con núcleos de hierro de aleación clásica. Aunque las normas fijan los valores, al sólo efecto de tener una idea de los errores que pueden cometer en las mediciones los TC, diremos que los errores de módulo (o relación) son del orden menor del 0,5 %. y el ángulo de error es de unos 20 minutos (60 minutos= 1 grado).

6 Prueba de Saturación La IEEE define saturación como el punto donde la tangente está a 45º de los amperes de excitación en el secundario, como lo muestra la Figura N 2. Figura N 2 Punto de Saturación Las curvas de magnetización para un TC de medición y protección se determinan en fábricas y laboratorios. Como se explicaba anteriormente sobre la saturación en núcleos de protección y medida, esta grafica (Figura N 3) nos muestra claramente lo sucedido (el núcleo de protección se satura en un punto más alto, ya que es necesario que este vea la falla o cortocircuito del sistema protegido para poder operar, no así el

7 núcleo de medida ya que como su nombre lo dice este es solo para mediciones del sistema). Figura N 3 Curvas de saturación de núcleo de protección y medida El ensayo de saturación se hace con tensión variable en el secundario y con el primario del TC abierto. Se toman lecturas de tensión e intensidad para ambos núcleos. Intensidad de corriente : I (ma) Tensión de medida : Um (V) Tensión de protección : Up (V) Como el TC está abierto por el lado del primario, es decir está en vacío; la corriente que se mide es la magnetizante, o sea, la intensidad necesaria para magnetizar el núcleo. Del gráfico se concluye:

8 1) Como vemos en la curva para el TC de protección, para valores pequeños de tensión, la Imag. es pequeña y aumenta en forma. mas o menos proporcional para valores crecientes de aquella. A partir de un cierto valor de la tensión secundaria (U2) llamada tensión de saturación o de rodilla, que indicamos con Ur, un pequeño incremento de U2 es acompañado por un gran incremento de Imag. Entonces se define la Ur (tensión de rodilla.) como: el punto para el cual un aumento del 10% de la tensión secundaria produce un 50% de incremento de la Imag. 2) La definición de la Ur también es válida para el núcleo de medición. 3) La tensión Ur(p) (protección), será mucho mayor que Ur(m) (medida), aproximadamente 4 a 6 veces. 4) La corriente Imag, para el núcleo de medición, a igualdad de tensión será menor que en el de protección. Esto brinda un mayor grado de exactitud, ya que el error en la medida lo introduce la corriente de magnetización, como sabemos por teoría. 5) Si la tensión UJ se eleva por encima de Ur(m) como sucede en un cortocircuito, la Imag aumenta mucho, introduciendo errores notables. Pero es de hacer notar que la corriente de corto no es vista por el núcleo de medición ya que se satura mucho antes. 6) La Imag no puede aumentar indefinidamente. Existe una corriente límite térmica que diremos que es la corriente que soporta durante un segundo sin que sobrepase los 80 C (30 IN) sin que se deteriore la

9 aislación. También existe una corriente límite dinámica que será aquella que soporta sin producir esfuerzos dinámicos que destruyan el transformador. También se puede definir el factor de saturación como: el número de veces que la IN (corriente nominal) que puede circular por el primario sin que el error de relación supere en más del 10% del correspondiente a su clase. Verificación del coeficiente de saturación De acuerdo a lo visto tenemos: Donde: K: coeficiente de saturación. Ur: Tensión de rodilla [V]. In: Corriente nominal secundaria [A]. S: Potencia Aparente en [VA] El coeficiente de saturación es igual al cociente de la tensión de rodilla por corriente nominal sobre la potencia de prestación se debe verificar que: k < 5 para núcleo de medición k > 10 núcleo de protección

10 Prueba de Relación de Transformación La relación de transformación está dada por: Ip : Corriente Primaria. Is : Corriente Secundaria. Para realizar esta prueba se puede utilizar una fuente que inyecte una corriente (conocida) en el primario del TC ensayado, luego en el secundario del mismo se mide la corriente que circula, con un amperímetro de tenazas (por ejemplo), por lo tanto con el dato de la inyección de corriente conocida y la corriente medida en el secundario, se puede calcular una relación de transformación mediante la siguiente fórmula: La anterior se deberá comparar con la N (relación de transformación) que se encuentra en la placa de característica del TC, utilizando la siguiente fórmula para calcular el error de relación que es lo que se busca en este tipo de ensayo: Prueba de Polaridad La polaridad que se verifica es la polaridad relativa de una bobina con respecto a otra, estando ambas bobinadas en el mismo núcleo, es decir recorridas por un mismo flujo, como sucede en el transformador.

11 Debemos definir dos bornes homólogos, uno primario y uno secundario. Cada bobina tiene su polaridad propia, pero si se adapta una polaridad para una de ellas la polaridad de la otra queda automáticamente determina por la relación invariable que existe entre dos arrollamientos y un flujo común. Recordando el principio de funcionamiento del transformador cuando por el primario circula una corriente I1 en ese mismo instante circulara por el secundario una corriente I2 desfasada 180, como se ve en la Figura N 4. Entonces se puede decir que: En un transformador, dos bornes tienen la misma polaridad cuando se puentean dichos bornes, y la corriente circula como si el transformador no existiese, hacia y desde la carga. Es como si se hubiese hecho una unión galvánica entre primario y secundario. Figura N 4 Esquema de un Transformador Verificar la polaridad de un transformador es importante cuando se conectan aparatos de medición de conexión vatimétrica (vatímetros cosfímetros, contadores de energía, etc.) que poseen bornes polarizados que garantizan la deflexión correcta de la aguja (o

12 signo de medición en caso de los digitales) de acuerdo al sentido de la energía. Es decir que en la medida de potencia y energía reviste importancia conocer la polaridad de transformadores de medida. Para realizar este ensayo primero se deben identificar los bornes del primario que corresponden a cada una de las bobinas que lo forman (en este caso dos) lo cual se realiza por medio de un tester. Una vez individualizados se conectan en serie por ejemplo, en cuyo caso estamos en la. Relación 100/5-5. Seguidamente se realiza el siguiente circuito: Figura N 5 Circuito para ensayo Con una fuente de c.c. de baja tensión (2-4 V) o una pila se conecta al primario, con la polaridad conocida, el polo (+) al borne polarizado del transformador y por medio de un pulsador se le darán pulsos de tensión. En el secundario, en los bornes de 5 A se coloca un voltímetro de c.c, con su polo (+) en el borne polarizado. Si al pulsar el pulsador, la aguja del voltímetro tiende a desviarse positivamente, la polaridad esta correcta, en caso contrario será errónea. Al soltar el pulsador la aguja del voltímetro tenderá a desviarse en sentido contrario.