B.III: Transformadores de tensión

B.III: Transformadores de tensión Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia IIE-Fing-UdelaR Facultad de Ingeniería - UDELAR (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 31

Indice 1 Transformadores de tensión 2 Clasificación 3 Transformadores de tensión inductivos 4 Transformadores de tensión capacitivos (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 2 / 31

Transformadores de tensión: Introducción Como los niveles de tensión y corriente del sistema de potencia son muy elevados, los instrumentos de medida y los relés de protección no se pueden conectar en forma directa y lo hacen a través de transformadores. Los transformadores de tensión tienen como función: adaptar las tensiones elevadas a valores compatibles con los que trabajan los instrumentos de medida y los relés de protección. proporcionar aislación a los instrumentos de medida y relés de protección con respecto a la alta tensión del circuito de potencia. permitir el uso normalizado para las corrientes y tensiones nominales de los instrumentos de medida y relés de protección. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 3 / 31

Clasificación: Los transformadores de tensión pueden ser: Transformadores de tensión inductivos : Generalmente se utilizan en tensiones entre 600V y 70kV. Transformadores de tensión capacitivos superiores a 150kV Divisores Capacitivos Divisores Resistivos : Se utilizan para tensiones Para tensiones entre 70kV y 150kV pueden utilizarse tanto inductivos como capacitivos. En los sistemas en que se utiliza comunicación por carrier se deben utilizar transformadores de tensión capacitivos Divisores mixtos (capacitivo/resistivo) Los divisores capacitivos, resistivos y mixtos no se utilizan en los sistemas de potencia. Su utilización es específica en los laboratorios cuando se realizan ensayos o investigaciones. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 4 / 31

Normas técnicas Normas técnicas Las especificaciones de los transformadores de tensión deben seguir reglas que están determinadas en normas técnicas, entre las que se encuentran: - IEC 61869-1: Transformadores de medida - Parte 1: Requerimientos generales - IEC 61869-3: Transformadores de medida - Parte 3: Requerimientos adicionales para transformadores de tensión inductivos - IEC 61869-5: Transformadores de medida - Parte 5: Requerimientos adicionales para transformadores de tensión capacitivos - IEC 60044-2: Transformadores de medida - Parte 2: Transformadores de tensión inductivos - IEC 60044-5: Transformadores de medida. Parte 5: Transformadores de tensión capacitivos - IEEE C57.13: Standard Requirements for Instruments Transformers (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 5 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Introducción Un transformador de tensión inductivo consiste en un arrollamiento primario y un arrollamiento secundario dispuestos sobre un núcleo común. Estos transformadores difieren principalmente de los transformadores de potencia en lo que respecta a la refrigeración y tamaño del conductor. Los terminales del arrollamiento primario se conectan a un par de fases del circuito, o a una fase y a tierra. Los terminales del arrollamiento secundario se conectan a los instrumentos de medida y relés de protección, que constituye la carga. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 6 / 31

Definiciones Transformador de tensión : Transformador en el cual la tensión secundaria es proporcional a la tensión primaria, y difiere en fase por un ángulo que es aproximadamente cero para una conexión apropiada. Tensión nominal primaria: Valor de la tensión primaria que figura en la designación del transformador y a partir de la cual son determinadas sus condiciones de funcionamiento. Tensión nominal secundaria: Valor de la tensión secundaria que figura en la designación del transformador y a partir de la cual son determinadas sus condiciones de funcionamiento. Relación de transformación nominal (k n ) : Relación entre la tensión primaria nominal (U pn ) y la tensión secundaria nominal (U sn ). k n = U pn U sn (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 7 / 31

Definiciones Factor de tensión nominal : Factor de multiplicación a ser aplicado a la tensión nominal primaria (U pn) para determinar la máxima tensión para la cual el transformador debe cumplir con los requerimientos térmicos por un tiempo especificado y manteniendo la clase de precisión. Rated voltage factor Rated time Method of connecting the primary winding and system earthing conditions 1.2 Continuous Between phases in any network Between transformer star-point and earth in any network 1.2 Continuous Between phase and earth in an effectively earthed neutral system. 1.5 30 s 1.2 Continuous Between phase and earth in an non-effectively earthed neutral system 1.9 30 s with automatic earth-fault tripping 1.2 Continuous Between phase and earth in an isolated neutral system without 1.9 8 h automatic earth-fault tripping or in a resonant earthed system without automatic earth-fault tripping. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 8 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Definiciones Error de relación (ε) : Error que introduce el transformador en la medida de la tensión y proviene de que la relación de transformación actual no es igual a la relación de transformación nominal. ε = k nu S U P U P 100( %) k n : relación de transformación nominal U P : tensión primaria actual U S : tensión secundaria correspondiente a U P en las condiciones de la medición Desfasaje (ϕ) : Diferencia de fase entre los fasores de tensión primaria y secundaria. El desfasaje es positivo cuando el fasor de tensión secundario se encuentra adelantado con respecto al fasor de tensión primario. Esta definición es estricta para régimen sinusoidal. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 9 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Circuito equivalente El circuito equivalente de un transformador de tensión inductivo es similar al de un transformador de potencia. transf. ideal H 1 R P L P N P :N S R S L S X1 H 2 R FE L M X 2 carga H 1, H 2 : circuito primario X 1, X 2 : circuito secundario L P : inductancia de fugas del primario, R P : resistencia del primario L S : inductancia de fugas del secundario, R S : resistencia del secundario L m: inductancia de magnetización del núcleo R Fe : pérdidas en el hierro (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 10 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Circuito equivalente El hierro tiene una característica B(H) no lineal que se debe tener en cuenta en el circuito equivalente. En tipo de transformador las inductancias de dispersión son elevadas, las cuales introducen los errores de medición. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 11 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Comportamiento en régimen estacionario Suponemos que se le aplica al transformador de tensión entre H 1 y H 2 una fuente de tensión sinusoidal. Consideremos que estamos en la zona lineal del hierro. transf. ideal H 1 R P jwl P N P :N S R S jwl S X1 E(t) H 2 R FE jwl M X 2 carga k = N P N S E(t) = Ecos(ωt + α) (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 12 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Comportamiento en régimen estacionario El diagrama fasorial resultante es: (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 13 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Comportamiento en régimen estacionario Suponemos R Fe = Z - ki P = I e + I S Z S = R S + jx P S = 1 (R k 2 k 2 P + jx P ) - U P k = (R P + jx P ) 1 ki k 2 P + R S I S + jx S I S + U S - U e = jx m I e - U S = Z B I S Surge: - ki P = (Z S+Z b +jx m) jx m I S ku S = Z b Z P Z S +Z b +jx m U P k 2 jx m + Z S + Z b (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 14 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Error y desfasaje Se define el error compuesto en porciento, como: ε = ku S U P U P 100 % ε = Z b Z P k 2 (1 + Z S+Z b jx m ) + Z S + Z b 1 100 % (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 15 / 31

Transformadores de tensión inductivos: Error y desfasaje Se define el desfasaje como la diferencia de fase entre la tensión primaria (U P /k) y la tensión secundaria (U S ). ϕ = arg(ku S ) arg(u P ) = arg ku S U P = arg Z b Z P + Z k 2 S + Z b + Z P Z S +Z b k 2 jx m (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 16 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Introducción Por razones económicas se ha determinado la adopción de transformadores de tensión capacitivos para alimentación de tensión a instrumentos de medida y relés de protección, a partir de niveles de tensiones de 132kV y superiores. Además, el transformador de tensión capacitivo se debe utilizar en un sistema de potencia, cuando se quiere tener un sistema de comunicaciones del tipo de onda portadora. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 17 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Definiciones Transformador de tensión capacitivo : Transformador de tensión que comprende un divisor capacitivo, una unidad electromagnética acoplada al divisor, en la cual la tensión secundaria es proporcional a la tensión primaria, y difiere en fase por un ángulo que es aproximadamente cero para una conexión apropiada. Tensión nominal primaria: Valor de la tensión primaria que figura en la designación del transformador y a partir de la cual son determinadas sus condiciones de funcionamiento. Tensión nominal secundaria: Valor de la tensión secundaria que figura en la designación del transformador y a partir de la cual son determinadas sus condiciones de funcionamiento. Relación de transformación nominal (k n ) : Relación entre la tensión primaria nominal (U pn ) y la tensión secundaria nominal (U sn ). k n = U pn U sn (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 18 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Definiciones Error de relación (ε) : Error que introduce el transformador en la medida de la tensión y proviene de que la relación de transformación actual no es igual a la relación de transformación nominal. ε = k nu S U P U P 100( %) Desfasaje (ϕ) : Diferencia de fase entre los fasores de tensión primaria y secundaria. El desfasaje es positivo cuando el fasor de tensión secundario se encuentra adelantado con respecto al fasor de tensión primario. Esta definición es estrica para régimen sinusoidal. Ferroresonancia : Resonancia sostenida de un circuito consistente de una capacidad con una inductancia magnética no lineal saturable. La ferroresonancia puede ser originada por maniobras de operación del lado primario o secundario. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 19 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Definiciones Respuesta transitoria : La medida de la fidelidad de la forma de onda de tensión secundaria comparada con la forma de onda de tensión primaria bajo condiciones transitorias. Dispositivo de amortiguación : Dispositivo incorporado a la unidad electromagnética con el propósito de: limitar sobretensiones que puedan aparecer entre uno o más componentes. y/o prevenir ferroresonancia sostenida. y/o alcanzar un alto desempeño de la respuesta transitoria del transformador de tensión capacitivo. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 20 / 31

The standard reference range of frequency shall be from 99 % to 101 % of the rated frequency accuracy classes for measurement. Transformadores de tensión capacitivos: 14.3 Standard accuracy classes Medición The standard accuracy classes for single-phase metering capacitor voltage transformers are: 0,2 0,5 1,0 3,0 Límites 14.4 del Limits error of voltage de tensión error and phase y deldisplacement desfasaje : El error de tensión y el The voltage desfasaje error and phase a la displacement frecuencia shall nominal not exceed no the values deben given exceder in table 16 lasforvalores the appropriate accuracy class at any value of temperature and frequency within the reference ranges dados and por with burdens la siguiente from 0 % tabla, to 100 % para of rated cualquier value for rated tensión burden range entrei 80 % y or with burdens from 25 % to 100 % of rated value for rated burden range II. 120 % de la tensión nominal y con cargas entre 25 % y 120 % de latable carga 16 Limits nominal of voltage conerror un and factor phase de displacement potencia de 0.8 en atraso. for measuring capacitor voltage transformers Accuracy class 0,2 0,5 1,0 3,0 Percentage voltage (ratio) error u Phase displacement u Minutes Centiradians 0,2 0,5 1,0 3,0 10 20 40 Not specified 0,3 0,6 1,2 Not specified NOTE 1 The input burden (input impedance) of a compensated bridge is very low ( 0) (very high). NOTE 2 The power factor of the rated burden shall be in accordance with 9.8.2. NOTE 3 For CVT s having two or more secondary windings (see 9.8). If one of the winding is loaded only occasionally for short periods or only used as a residual voltage winding its effect upon other windings may be neglected. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 21 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Protección Clase de precisión: Las clases de precisión para un transformador de tensión capacitivo monofásico, para protección, son: 3P 6P Además se introducen tres clases adicionales para el desempeño transitorio: T1, T2 y T3. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 22 / 31

15.4 Limits of voltage error and phase displacement Transformadores de tensión capacitivos: Protección The voltage error and phase displacement shall not exceed the values given in table 17 for the appropriate accuracy class at 2 % and 5 % rated voltage and rated voltage multiplied by the rated voltage factor (1,2, 1,5 or 1,9), and at any value of temperature and frequency within the reference ranges and with burdens from 0 % to 100 % of rated value for burden range I or with burdens from 25 % to 100 % of rated value for burden range II. Límites del error tensión y del desfasaje : El error de tensión y el NOTE 1 The power factor of rated burden shall be in accordance with 9.8.2. desfasaje a la frecuencia nominal no deben exceder las valores NOTE 2 For CVT s having two or more windings (see 9.8.4). If one of the windings is loaded only occasionally for short periods or dados only used por as a residual la siguiente voltage winding, tabla, its effect para upon other cualquier windings may tensión be neglected. entre 5 % NOTE 3 Where transformers have different error limits at 5 % of rated voltage and at the upper voltage limit (i.e. de la tensión nominal y la tensión nominal multiplicada por el voltage corresponding to rated voltage factor 1,2, 1,5, 1,9), agreement should be made between manufacturer and purchaser. factor de tensión nominal y con cargas entre 25 % y 100 % de la carga Table nominal 17 Limits con of voltage un factor error and de phase potencia displacement de 0.8 en atraso. for protective capacitor voltage transformers Percent voltage (ratio) error at percentage of rated voltage u Phase displacement at percentage of rated voltage u Minutes Centiradians Percentage of rated voltage Protection classes 2 5 100 X 2 5 100 X 2 5 100 X 3P 6,0 3,0 3,0 3,0 240 120 120 120 7,0 3,5 3,5 3,5 6P 12,0 6,0 6,0 6,0 480 240 240 240 14,0 7,0 7,0 7,0 NOTE X = FV 100 (rated voltage factor multiplied by 100) 15.5 Transient response (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 23 / 31

voltage Transformadores de tensión capacitivos: Protección Protection classes 2 5 100 X 2 5 100 X 2 5 100 X 3P 6,0 3,0 3,0 3,0 240 120 120 120 7,0 3,5 3,5 3, 6P 12,0 6,0 6,0 6,0 480 240 240 240 14,0 7,0 7,0 7, NOTE X = FV 100 (rated voltage factor multiplied by 100) 15.5 Transient response Respuesta transitoria : Relación entre la tensión secundaria U S (t) y el valor de pico de la tensión secundaria 2U S antes de la aplicación de un cortocircuito del lado primario, en un tiempo T S específico luego de la aplicación del cortocircuito. 15.5.1 General Characteristic of the transient response are the ratio secondary voltage US(t) to the pe value of the secondary voltage S specified time Ts after application of the primary short circuit. The secondary voltage US US(t) after a short circuit of the primary voltage UP = UP(t) can be represented as follows: 2U before the application of the primary short circuit a U (t) [v] U p (t) U s (t) (1) (2) (3) 1) Short circuit of UP(t) 2) Aperiodic damping of Us(t) t T s t, T s [s] 3) Periodic damping of Us(t) Figure 17 Transient response of a capacitor voltage transformer (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 24 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Circuito equivalente El circuito básico de un transformador de tensión capacitivo es: C 1, C 2 : divisor capacitivo L: inductancia de ajuste T : transformador intermediario Z : impedancia de carga (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 25 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Circuito equivalente I T A L Figure 5 Réglage du déphasage Figure 6 _._) Réglage de I'erreur de tension La inductancia L se ajusta de manera que el desfasaje sea mínimo en las condiciones de cargas impuestas. ménes de ferro-résonance dans les cas de mesure capacité le diviseurde El transformador T se ajusta denécessitant maneraun depont obtener eldevalor depour relación une telle protection. capacitif, et pour la partie inductive ainsi que transformación nominal global. Les accessoires de couplage HF comprennent pour le TCT complet, un pont de mesure Scheune self de draina1e 9, un parafoudre 10, et le cas échéant, un sectionneur de mise á la terre 8. Les emplacements de ces composants sont vari- ring-alberti avec un transformateur normal présentant des erreurs de rapport négligeables. ables en fonction du mode d'exécution du ma- 9.3 A I'accord global définitif s'ajoutent quel(iie - UDELAR) Curso: IPROSEP 26 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Comportamiento en régimen estacionario Suponiendo despreciables las inductancias parásitas de los condensadores C 1 y C 2, el circuito equivalente en estado estacionario es: r 1 : resistencia que es la suma de la resistencia que representa las pérdidas dieléctrica de C 1, la resistencia que representa las pérdidas en el hierro y cobre de L y las resistencia del arrollamiento primario de T. l = L 1T + L: suma de la inductancia de fugas del arrollamiento primario de T y la inductancia ajuste (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 27 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Comportamiento en régimen estacionario r mt, L mt : resistencia de pérdidas e inductancia magnetizante de T r 2, l 2 : resistencia del arrollamiento e inductancia de fugas del secundario Z L : impedancia de cargas a = N 1 N 2 : relación de espiras U 1 : tensión primaria U 2 : tensión secundaria (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 28 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Comportamiento en régimen estacionario Circuito equivalente para estudiar el comportamiento en régimen del transformador de tensión capacitivo. Z 2 = r 2 + jl 2 ω Z 1 a 2 = r 1 a 2 jωl a 2 + 1 a 2 (C 1 +C 2 )jω Z 3 : impedancia de carga de argumento ϕ (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 29 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Comportamiento en régimen estacionario Suponemos que Z mt a 2 tiene un valor tal que se puede ignorar. Z 3 = Z 3 e jϕ Z = Z 1 a 2 + Z 2 = Z e jβ El esquema vectorial se reduce a: a = N 1 N 2 r = a(c 1 + C 2 ) C 1 U 1 r = ZI + U 2 = ZI + Z 3 I = (Z + Z 3 )I (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 30 / 31

Transformadores de tensión capacitivos: Comportamiento en régimen estacionario Conclusiones Se puede medir directamente el desfasaje de la tensión primaria respecto de la tensión secundaria, por lectura directa en la escala de ángulos del sistema de coordenadas polares. El error de relación está definido por: ε = 1 U 1 U 2 r n U 1 U 2 r n (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 31 / 31