5 Formas de ejecutar Ensayos en Transformadores de Intensidad/Corriente 5 veces mas Eficiente Washington Cabrera Gerente de Ventas para México Dallas, Texas, Estados Unidos Diego Robalino, PhD, PMP Octubre 01, 2014 1 2 1
Dr. Diego Robalino, PMP Ingeniero Senior de Aplicaciones Megger Norte América Dallas, TX, Estados Unidos Agenda Transformadores de Intensidad de Corriente (TC) Definición y principios básicos Aplicaciones de Transformadores de Intensidad de Corriente Medición y Protección Prácticas de ensayo recomendadas por IEEE Pruebas de aceptación y conformidad de Transformadores de Intensidad de Corriente Instrumentos de ensayos de alta precisión y eficiencia 3 4 2
Transformador de Corriente - Definición Transformador de Corriente (TC) - es un transformador de instrumentos cuyo arrollamiento primario se conecta en serie con el conductor portador de corriente eléctrica a ser medida o controlada. IEEE Std. 100 2000 (traducido de la versión en Inglés) Transformador de Intensidad: Transformador de medida en el cual la intensidad secundaria es, en las condiciones normales de empleo, prácticamente proporcional a la intensidad primaria y desfasada con relación a ésta un ángulo próximo a cero, para un sentido apropiado de las conexiones. UNE-EN 60044-1 Transformador de Corriente - Definición Los TCs se utilizan para: Transformar el valor de intensidad de corriente desde un valor elevado hasta un valor (5 o 1A a carga completa) fácil de incorporar y utilizar en aparatos de medición y protección. Aislar el circuito de medición del sistema primario de alta tensión, protegiendo al personal e instrumentos de la alta tensión Proveer la posibilidad de estandarizar los instrumentos y relés a valores específicos de corriente nominal. 5 6 3
Transformador de Intensidad de Corriente Principios Básicos p TC Ideal I N = I N p Un transformador de corriente es idealmente un transformador en corto circuito donde la tensión en los terminales del secundario es cero y la corriente de magnetización es despreciable s s I s = TC real N N p s I p I En realidad, es imposible despreciar la corriente de excitación. Parte de la corriente primario se consume en el núcleo, lo que implica que la corriente del primario no se reproduce en su totalidad. IsIe Transformador de Intensidad de Corriente Principios Básicos (2) Los TCs presentan dos errores fundamentales: Errores de precisión (debido a magnitud o linealidad) Desviación de fase β Por ende, el error de transformación de la corriente del primario con respecto al Ipx(Np/Ns) secundario se refleja tanto en magnitud como en ángulo de fase. La magnitud del error se conoce como error de relación y el error en el ángulo de fase se denomina desfase. e 7 8 4
Transformador de Corriente Aplicaciones Primario Protección Secundario Medición Transformador de Corriente Aplicaciones (2) MEDICION: Los TCs usados para medición deben mantener un alto grado de precisión en un amplio rango de niveles de corriente desde ~10% hasta el 100% a plena carga nominal del TC. La medición y facturación del uso de energía depende de la información provista por instalaciones con TCs. Pérdidas financieras debido a fallas de precisión es una preocupación para todas las áreas de operación de transporte de energía eléctrica. 9 10 5
TC de Medición Clasificación de la Precisión La clase de precisión para los transformadores de medición se basa en el requerimiento de que el Factor de Corrección de Transformación (TCF) del TC debe encontrarse dentro de los límites especificados cuando el factor de potencia (en retraso) de la carga medida tiene valores desde 0.6 hasta 1.0 Para TCs, a la carga estándar especificada al 10%, y al 100% de la intensidad de corriente primaria nominal. La clase de precisión a la carga estándar inferior no es necesariamente la misma que a la carga estándar especificada. Standard Accuracy Class for Metering CTs Limits of transformer correction factor @ 100% rated current @ 10% rated current IEEE C57.13 Min Max Min Max 0.3 0.997 1.003 0.994 1.006 0.6 0.994 1.006 0.988 1.012 1.2 0.988 1.012 0.976 0.976 Clases de Precisión: IEC - 60044-1 Clase de Precisión Error de intensidad en %, ±, para los valores de intensidad expresados en % de la intensidad de corriente asignada Desfase, ± para los valores de intensidad expresados en % de la intensidad de corriente asignada Minutos Centirradianes 5 20 100 120 5 20 100 120 5 20 100 120 0.1 0.4 0.2 0.1 0.1 15 8 5 5 0.45 0.24 0.15 0.15 0.2 0.75 0.35 0.2 0.2 30 15 10 10 0.9 0.45 0.3 0.3 0.5 1.5 0.75 0.5 0.5 90 45 30 30 2.7 1.35 0.9 0.9 1.0 3.0 1.5 1.0 1.0 180 90 60 60 5.4 2.7 1.8 1.8 Clase de Precisión ±Error de intensidad en %, ±, para los valores de intensidad expresados en % de la intensidad de corriente asignada Desfase, ± para los valores de intensidad expresados en % de la intensidad de corriente asignada Minutos Centirradianes 1 5 20 100 120 1 5 20 100 120 1 5 20 100 120 0.2 S 0.75 0.35 0.2 0.2 0.2 30 15 10 10 10 0.9 0.45 0.3 0.3 0.3 0.5 S 1.5 0.75 0.5 0.5 0.5 90 45 30 30 30 2.7 1.35 0.9 0.9 0.9 11 12 6
TC de Medición Clasificación de la Precisión Un transformador de intensidad de corriente dedicado para medición debe haber recibido un valor de precisión para cada valor estándar de carga para el cual está diseñado. La clase de precisión debe especificarse para la carga máxima de diseño, lo cual implica que todas las cargas inferiores se consideran dentro de esa clase Por ejemplo: 0.3 B-1.8 implica 0.3 B-0.1, B-0.2, B-0.5, B0.9, y B-1.8. Si la clase de precisión dada esta especifica para una sola carga determinada, esta debe ser asignada como: 0.3 @ B-0.5 TC de Medición Clasificación de la Precisión (2) El factor de corrección de transformación para un TC es el factor de corrección de la relación de transformación (RCF) multiplicado por el factor de corrección del ángulo de fase para un valor determinado de factor de potencia en el circuito primario. El factor de corrección de la relación de transformación (RCF) es la relación entre el valor de relación real con respecto al valor de placa. La expresión del factor de corrección de transformación a 0.6 de factor de potencia (en-retraso) de la carga medida TCF = RCF β 2600 13 14 7
Limites de las clases de precisión para TCs de medición Relacion de Transformacion Real RCF = Relacion de Transformacion de Placa Relacion real = Relacion de placa RCF Indicativo de la Carga Cargas estándar para TC de Medición Resistencia (Ω) Inductancia (mh) Impedancia (Ω) Volt amperios (@ 5 A) B-0.1 0.09 0.116 0.1 2.5 0.9 B-0.2 0.18 0.232 0.2 5.0 0.9 B-0.5 0.45 0.580 0.5 12.5 0.9 B-0.9 0.81 1.040 0.9 22.5 0.9 B-1.8 1.62 2.080 1.8 45.0 0.9 Indicativo de carga = Impedancia = Z = R + jωl VA = V I s = I 2 s Z = (5 2 R PF = Z ) Indicativo de carga 15 16 PF 8
Transformador de Corriente Aplicaciones (3) RELES y PROTECCION Los TCs de protección sirven como entrada de información para la protección contra fallas de un sistema de potencia. Los TCs deben mantener su precisión ante sobre cargas del sistema y condiciones de falla. IEEE C57.13.1-2006 especifica que los TCs de protección necesitan mantener una precisión de la relación de ±10% en un rango que va desde 1 a 20 veces la intensidad de corriente nominal del secundario a la carga especificada. TC de Protección - Clasificación Clase C Cubre los TCs en los cuales el flujo de dispersión en el núcleo no tiene un efecto significativo en la relación de transformación dentro de los limites de intensidad de corriente y carga, por ende, la relación puede ser Calculada. Estos TCs son del tipo buje (bushing), ventana o barra con sus bobinas uniformemente distribuidas Los TCs de esta categoría carecen de un arrollamiento primario como tal y en su lugar, un conductor pasa por el centro del núcleo toroidal para servir esta función. Por cuanto el arrollamiento del secundario se encuentra distribuido de manera uniforme con respecto al núcleo y tan solo se usa una espira de conductor primario, entonces, todo el flujo que vincula el conductor primario, también vincula al conductor del secundario. 17 18 9
TCs con distribución uniforme de la bobina del secundario Tipo Ventana Tipo Barra TC de Protección Clasificación (2) Clase T Cubre los TCs en los cuales el flujo de dispersión en el núcleo tiene un efecto significativo en la relación de transformación dentro de los limites de intensidad de corriente y carga. Se considera un efecto significativo un 1% de diferencia entre la relación de transformación real y la relación de transformación calculada Un ejemplo de esta categoría es un TC con mas de una espira en el primario y arrollamientos distribuidos de manera irregular. En este caso, los cálculos que incluyen un alto nivel de flujo de dispersión son mas complejos. El funcionamiento del transformador entonces se determina por verificación y pruebas. 19 20 10
TC de Protección Clasificación (3) La guía de adquisición de transformadores de Instrumentación de GE indica: Las letras C y T definen la manera en que se establecen los valores nominales mas no definen los requerimientos de funcionalidad. El funcionamiento de un TC C200 y un T200 es TC clase de protección idéntico A intensidad de corriente nominal A 20 veces la intensidad de corriente nominal C y T 3% 10% X 1% Definido por usuario TC de Protección Clasificación (4) Clase C (C de Calculado) es bajo flujo de dispersión Clase T (T por ensayo) flujo de dispersión significativo Numero Típico 10 C 800 10 % Max Error de relación a 20 veces la Intensidad nominal Clase C flujo de dispersión irrelevante Max tensión del secundario a 20 veces la intensidad de corriente nominal sin exceder ±10% de error de relación Valores de Tensión del secundario: 10, 50, 100, 200, 400, 800 21 22 11
Cargas estándar para TCs de protección con 5A en el arrollamiento secundario IEEE 57.13 Indicativo de carga Resistencia (Ω) Inductancia (mh) Impedancia (Ω) Voltamperios (a 5A) Factor de Potencia B 1 0.50 2.30 1.0 25 0.5 B 2 1.00 4.60 2.0 50 0.5 B 4 2.00 9.20 4.0 100 0.5 B 8 4.00 18.40 8.0 200 0.5 Limites de Error de TCs para Protección - IEC 60044-1 Clase de precisión Error de intensidad para la intensidad primaria asignada Desfase para la intensidad primaria asignada Minutos Centirradianes 23 Error compuesto para la intensidad primaria limite de precisión en % 5 P ± 1 ± 60 ± 1.8 5 10 P ± 3 - - 10 24 12
Límites de precisión estándar para protección PRACTICAS DE ENSAYO RECOMENDADAS IEEE C57.13 & C57.13.1 25 26 13
Practicas recomendadas de Ensayos en TCs SEGURIDAD ANTE TODO Proteja al personal y equipo cercano a la unidad bajo pruebas Siga las políticas de seguridad locales y las instrucciones de operación de los diferentes equipos. Revise el sistema de puesta a tierra. Practique el procedimiento de seguro / candado e identificación para aislar áreas y equipos del sistema energizado. Ensayos estándar en Transformadores de Intensidad de Corriente Resistencia de Aislamiento Resistencia de arrollamientos Des magnetización Excitación/Saturación Relación de transformación y ángulo de fase Polaridad Carga 27 28 14
Resistencia de Aislamiento Per IEEE Std 57.13.1-2006 Los valores de resistencia de aislamiento deben ser comparados con los de circuitos o componentes similares Lecturas por debajo de los valores conocidos o de referencia deben ser investigados. El valor de resistencia de aislamiento mínimo generalmente aceptado es de 1MΩ. Una de las razones comunes que desemboca en valores bajos de resistencia de aislamiento es la presencia de humedad. Si los valores de resistencia de aislamiento son bajos, IEEE recomienda que el equipo sea secado y ensayado nuevamente. Resistencia de Aislamiento 29 30 15
Resistencia de Arrollamiento Mide la resistencia DC del arrollamiento del TC desde un extremo hacia otro a través de sus bornes terminales. Una intensidad de corriente de ensayo se aplica al arrollamiento y se mide la caída de tensión en el arrollamiento. Una vez estabilizada la variación de intensidad de corriente, simplemente se divide la tensión aplicada para el valor de intensidad, es decir, el valor de resistencia se calcula aplicando la Ley de Ohm. Préstese atención a la magnetización residual Ensayo de Resistencia de Arrollamiento Un ensayo que induce una intensidad de corriente DC causa una magnetización residual del núcleo lo que puede afectar los resultados de otros ensayos. IEEE C37.110 recomienda que el TC se desmagnetice luego de este ensayo. 31 32 16
Ensayo de Resistencia de Arrollamiento Desmagnetización Usada para eliminar el efecto de magnetización residual. Se lo logra en un incremento pausado de la tensión efectiva (RMS) del arrollamiento secundario, llevando el TC a la región de saturación y luego lentamente se disminuye la tensión hasta cero. 33 34 17
Excitación / Saturación La tensión aplicada al arrollamiento secundario del TC es regulada y la intensidad de corriente que fluye hacia el arrollamiento a cada valor seleccionado de tensión es registrado. Las lecturas en la región cercana a la rodilla (codo) de la curva de excitación son de especial importancia al graficarse. Curvas de excitación Típicas para TC de tomas múltiples clase C 35 36 18
Ensayo de Excitación/saturación Ensayo de Relación de Transformación Método de Tensión Un valor de tensión conveniente, por debajo del valor de saturación se aplica al arrollamiento secundario, y se mide la tensión en el primario. La relación de transformación es aproximadamente igual a la relación de la tensión del secundario con respecto a la tensión medida en el primario. Max. deficiencias en los ensayos debe ser: En aplicaciones de Medición: ±0.1% para magnitud y ±0.9mrad (3min) para el desfase. Otras aplicaciones : ±1.2% para magnitud ±1 grado de desfase 37 38 19
Ensayo de relación de Transformación Método de Intensidad de Corriente Un valor de intensidad de corriente conveniente, por debajo del nivel de saturación, se aplica al arrollamiento primario, y se mide la intensidad de corriente en el secundario. La relación de transformación es aproximadamente igual a la relación entre la intensidad de corriente del primario con respecto a la intensidad de corriente medida del secundario. Ensayo de Polaridad Las marcas de polaridad asignan la dirección instantánea relativa de la intensidad de corriente. En el mismo instante de tiempo en que la intensidad de corriente primaria ingresa al terminal del primario, la intensidad de corriente del secundario respectiva sale del terminal marcado en el secundario. El ensayo de polaridad valida que la dirección del flujo de intensidad de corriente del secundario es correcto para una dirección definida del flujo de intensidad de corriente en el primario. 39 40 20
Ensayo de Polaridad Método del Angulo de Fase IEEE Std C57.13.1-2006 hace referencia al método de ensayo de polaridad por medición del Angulo de fase con voltímetro Si una tensión AC se aplica a un arrollamiento del TC, la tensión transformada aparece en el otro arrollamiento. La tensión del secundario debe estar en fase con la tensión del arrollamiento primario, o en retraso por un mínimo ángulo de desfase. De esa manera el voltímetro conectado según la figura debe mostrar una lectura de 0 para una polaridad correcta. De ser incorrecta, el instrumento indicará la suma de ambas tensiones aproximadamente 180º aparte. Ensayo de Polaridad Método del Angulo de Fase IEEE Std C57.13.1-2006 hace referencia a un segundo método para ejecutar este ensayo como Método de Angulo de Fase con medidor de Fase Una tensión AC de magnitud inferior al valor de la rodilla de saturación del TC se puede aplicar al arrollamiento secundario del TC. El ángulo de fase entre las tensiones primaria y secundaria se monitorean independientemente de su magnitud. Para una polaridad correcta, el desfase debe ser aproximadamente cero. Una polaridad incorrecta mostrara un desfase de aproximadamente 180º. 41 42 21
Ensayo de Relación de Transformación, Desfase y Polaridad Ensayo de la Carga Verifica que el TC mantendrá su precisión designada bajo un conjunto especificado de condiciones de carga. Asegura que el TC es capaz de operar los aparatos enlazados dentro de sus características de operación. Se expresa como: VA y factor de potencia a un valor especifico de intensidad de corriente Impedancia total con respecto a sus componentes tanto resistivo como reactivo. 43 44 22
Ensayo de Carga Ensayo de Carga 45 46 23
Método de Ensayo Tradicional Equipo de Ensayos de TCs Metodología Actual de Ensayo Equipo de Ensayos de TCs 47 48 24
La Nueva Metodología de avanzada para Ensayos de TCs MRCT 5 Técnicas Efectivas de Ensayo 49 50 25
1. Ejecución de un plan de ensayos en todas las combinaciones de tomas. Simultáneamente!! 51 52 26
2. Una sola conexión sin necesidad de reconfiguración del cableado LISTO!! Conexiones para TC de tomas múltiples MRCT 53 54 27
3. Adquisición de resultados de manera inmediata Ensayo de Relación y Polaridad Ensayo de Saturación 3. Adquisición de resultados de manera inmediata Ensayo de Resistencia de Arrollamiento Ensayo de Resistencia de Aislamiento Ensayo de Carga 55 56 28
4. Fácil administración de Datos y Reporte 5. Ejecución de ensayos tanto para TCs de medición como de protección Un mismo instrumento provee alta precisión y alto nivel de tensión para pruebas a frecuencia de línea según requerimiento de estándar 57 58 29
Conclusiones Los transformadores de El equipo de avanzada MRCT le Intensidad/Corriente (TC) tienen ayuda a alcanzar la mas alta eficiencia en ensayos de TCs, un papel importante en los manteniendo a su grupo de sistemas de potencia tanto en trabajo seguro y sus mas aplicaciones de medición como importantes activos en protección. condiciones ideales de operación. Para asegurar un funcionamiento óptimo de su TC, IEEE recomienda una serie de ensayos a ser ejecutados y la mejor manera de llevarlos a cabo. 59 60 30
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