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21/08/13 Protecciones-TC's/TP's 1

TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTACIN:

CORRIENTE &TENSIN

Transformadores de Corriente (CT)


Figura CT con tres secundarios

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE


Figura CT tipo Estacin-Primario o en U



Figura CT tipo Estacin-Primario Pasante



Figura CT tipo Devanado



Figura CT tipo Buje



Figura CT tipo Barra



Figura CT tipo Ventana




EXACTITUD --- PRECISINEste trmino es usado para al menos dos propsitos diferentes: Para describir la precisin de un dispositivo

En el primer contexto, la exactitud es el grado en el cual un dispositivo(rel, instrumento o medidor) opera conforme a una norma aceptada.La declaracin de una exactitud depender de los mtodos utilizadospara expresarla considerando componentes individuales de laexactitud y la manera en la cual estos componentes afectan laexactitud global del dispositivo.

Para especificar la precisin de una medida.En el segundo caso, la exactitud de una medida especfica, es ladiferencia entre lo medido y el valor real de una cantidad. Ladesviacin del valor real es la indicacin de cun exactamente fuetomada una lectura o hecho un ajuste.


Figura Impedancias del circuito secundario de un CT



Figura CT para corrientes de Tierra


21/08/13 Protecciones-TC's/TP's


Figura Circuito equivalente del CT


BURDEN



VALORES SECUNDARIOS DE LOS AJUSTES DELAS PROTECCIONES

Zs = Impedancia vista en el secundario, en Ohm (a nivel del rel)Zp = Impedancia vista en el lado de alta tensin, en OhmTC: Relacin de transformacin del transformador de corrienteTV : Relacin de transformacin del transformador de voltaje

TVTCZpZs *=



La clase de precisin de un transformador de corriente utilizado en protecciones,segn la norma IEC 60044-1 Instrument Transformers - Part I: CurrentTransformers, se especifica por el porcentaje de precisin, seguido de la letra P(proteccin) y por el nmero de veces la corriente nominal del transformador, alcual se garantiza la exactitud indicada.

Figura Nomenclatura de TC segn norma IEC (IEC60044-1)

nn

mm veces el voltaje nominal Exactitud de proteccin Error; 5%, 10%

P mm

Ejemplo:

Un CT de 30 VA, clase 5P10, de 5 A significa que ste CT tiene un error mximo del 5%, cuando el voltaje sea de 60 V (10 veces 6 voltios). El voltaje nominal es 30 VA / 5 A

NORMA IEC

FLP: Factor Limite de PrecisinClase de Precisin: ProteccinExactitud: Error del 5%

P 10530VA

Precisin en Potencia: Carga

Para I = FLP x In => La precisin es del 5% (5P)Es decir, el error es menor del 5% a 10 veces Insi la carga consume 30 VA a In

Vn = 30 VA / 5 A = 6V


PLACA CARACTERSTICA TPICA


DEFINICIONES:

Corriente nominal primaria I1: 10 12.5 15 20 25 30 40 50 60 75

y sus multiplos decimales

Corriente nominal secundaria I2: 1 o 5

Carga de la Precisin: Valor de carga en la cual se basan las condiciones deprecisin

Potencia nominal de la Precisin Pn: Potencia aparente en VA suministrada por elcircuito secundario a la corriente nominal In y con la carga de precisin.

Valores estandares: 1 2.5 5 10 15 - 30 VA

Clase de precisin: Error limite garantizado

ESPECIFICACIONES - NORMA IEC 60044


DEFINICIONES:

Clases especiales de precisin PX: Mnimo valor de la tensin Vk (knee point), esmejor que 5P y mas aun que 10P. Knee Voltage: Punto de la curva en el cual un incremento del 10% en tensin, causaun incremento del 50% en corriente.

Factor de precisin real Fp o Kr: Relacin entre la sobre corriente correspondientecon el error nominal y la corriente nominal del CT cuando la carga real es diferente dela nominal.

NORMA IEC


DEFINICIONES:

Factor Limite de Precisin FLP Kn: Relacin entre la sobrecorriente nominal(10In) y la corriente nominal del CT (In), es decir (10).

Corriente sostenida de corta duracin: Corriente mxima Ith en kA, que puede sermantenida por un segundo (cuando el secundario es cortocircuitado). Esta representael soporte trmico del CT a sobrecorrientes.

Tensin nominal: Tensin nominal a la cual esta sujeto el devanado primario.Se debe tener en cuenta que en el devanado primario esta el terminal de HV y uno de

los terminales del secundario es normalmente aterrizado.

NORMA IEC


SELECCIN DEL CT DE ACUERDO CON LAS PROTECCIONES: Sobrecorriente instantnea

Umbral: IS : puede ser ajustado de 2 a 10 InEs necesario que no exista saturacin hasta el punto de ajuste,Anteriormente se tomaba un factor de seguridad de 2, es decir:

Kr > 2 IS / In => Si IS = 10 In => Kr > 20

Ejemplo:200/5 10VA 5P10, Carga: In = 160 A & Is = 8In

Se verifica si el CT es adecuado => IS / In = 8 . 160 / 200 = 6.4

El mnimo FLP (Kr) recomendado es: Kr > 2 x 6.4 = 12.8

NORMA IEC


CRITERIO PARA EVITAR SATURACINEl flujo magntico total en un rea determinada, est dado por la siguiente expresin:

Si el vector de la densidad de flujo magntico es perpendicular a un plano de rea y si la densidad de flujo magntico es uniforme en toda el rea, la ecuacin se reduce a la siguiente expresin:

El voltaje secundario del CT est relacionado con el nmero de espiras N y con la variacin del flujo magntico en el ncleo, de acuerdo con la Ley de Faraday:

Luego


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIN

Luego, el voltaje producido por una corriente de falla como la descrita , referida al secundario del transformador de corriente, sera:


CRITERIO PARA EVITAR SATURACINIntegrando la ecuacin del flujo total:

! "# $%

1 '

! "# $% 1 ' (

$%

Multiplicando ambos lados de la ecuacin por , y teniendo en cuenta que) $ setiene:

! "# )% ' ( )%

Es posible demostrar que el valor mximo de la expresin entre corchetes corresponde a 1 ( * . Por otro lado, el producto ! "# sera el voltaje simtrico secundario ,!producido en el secundario del circuito equivalente del CT por la componente simtrica de la corriente de falla en el primario -, referida al circuito secundario a travs de la relacin de transformacin del CT


CRITERIO PARA EVITAR SATURACINDe esta forma, el flujo mximo permisible para una corriente de cortocircuito asimtrica se puede expresar as:

,! 1 ( ) %.Donde el voltaje secundario se calcula segn la siguiente expresin:

,! ! %/0 ( El flujo mximo que permite el ncleo de un CT para garantizar la precisin especificada en sus caractersticas tcnicas se indica a travs del voltaje de saturacin, el cual, segn las definiciones de la norma IEC 60044, se determina a travs de la inyeccin en terminales del secundario de un voltaje sinusoidal, en conjunto con el cual se medira la corriente de excitacin para determinar la caracterstica de magnetizacin del ncleo del CT, y de esta tomar el valor del voltaje de saturacin, segn se define en las normas IEC 60044-1 e IEC 61869-2. Por esta razn, se puede escribir:

123 4) ,2 cos


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIN 4) ,2 1 '

,2 ,2

Igualando las expresiones para el flujo mximo en el ncleo, superior al cual se presentara saturacin, se tiene:

,2 ,! 1 ( ) %.El anterior se considera el criterio con el cual se verificara si un CT sera capaz de evitar la saturacin en .


Dimensionamiento de CTs a partir del FLP reales (Kr)

Definicin segn norma

La IEC60044 puede transferirse a BS ANSI/IEEE C57.13Clase C, define CTs por su tensin terminal secundaria Vst, para la cual no se excede el error del 10%.

Clases: C100,C200,C400 & C800 para 5Asec.

NORMA IEC


FLP reales (Kr): Requeridos para algunas aplicaciones (Schneider)NORMA IEC


FLP reales (Kr): Requeridos para algunas aplicaciones (Siemens)NORMA IEC


Ejemplo: Verificacin de estabilidad para la proteccin de barras 7SS50 deSiemens

NORMA IEC


SELECCIN DE ACUERDO CON NORMAS ANSI En la norma IEEE C57.13-1993 Standard Requirements for Instrument

Transformers, la clase de exactitud de un transformador de corriente usado parala conexin de protecciones est descrita por una letra la cual indica si laexactitud puede ser calculada (Clase C) o puede ser obtenida a travs depruebas fsicas (Clase T).

Esta letra es seguida por un nmero que corresponde al mximo voltaje terminalsecundario que el transformador de corriente producir a 20 veces la corrientenominal secundaria con un error no mayor al 10%.

Las cargas nominales de CTs 1, 2, 4 y 8 ohmios

A 20 veces los 5 amperios secundarios, los rangos son 100, 200, 400 y 800 voltios.

Cuando circulan 100 amperios secundarios con un factor del 10%, el valor de voltaje puede ser ledo desde la curva de excitacin con una corriente de 100 amperios.

NORMA ANSI


El voltaje secundario nominal es el voltaje que el CT soportar a la carga nominalcuando cruza una corriente de 20 veces la nominal sin exceder un 10% de error en larelacin de transformacin.

Para la relacin de 2000:5, el voltaje ledo es de 496 voltios. En este caso el voltaje es menor a 800 y mayor a 400. Por tanto el rango es C400

Figura 1 Curva de excitacin transformador de corriente 2000:5 A

Curva de Excitacin

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Corriente de Excitacin ( A )

V

o

l

t

i

o

s

d

e

E

x

c

i

t

a

c

i

n

(

V

)

NORMA ANSI

496 V

100 A


Con el fin de conservar la exactitud de los transformadores de corriente de proteccionesdurante fallas externas, se considera que el voltaje nominal secundario del CT debe ser20 veces el voltaje que aparece sobre la carga a una corriente dada.

Se puede establecer un criterio de seleccin de CTs a travs de la siguiente expresin:

IF es la mxima corriente de falla en por unidad

ZB es la carga del CT en por unidad de la carga nominal (1,2,4,8 ) X/R es la el factor de calidad del circuito de falla primario

BF ZIRX

**120

+

FIRX

Zb*1

20

+

NORMA ANSI


Procedimiento para la seleccin de transformadores de corriente con aplicacin en sistemas de proteccin de acuerdo con normas ANSI:

Determinar la corriente mxima de falla en amperios primarios. Luego expresarla enpor unidad de la corriente nominal del CT.

Determinar la correspondiente relacin X/R del circuito primario.

Seleccionar el voltaje nominal del CT. Luego determinar la carga total en por unidad dela carga nominal del CT.

Aplicar la ecuacin 2 y seleccionar la carga mxima permitida en el secundario del CT.

Por ejemplo:Para una lnea de transmisin con una relacin de X/R igual a 12 y una corriente defalla de 4 veces la corriente nominal del CT, se encuentra que de acuerdo con laecuacin ZB debe ser menor o igual a 0.38 P.U. de la carga nominal de 8 ohmios. Portanto, la saturacin ser minimizada manteniendo una carga en el CT de 3.04 Ohm omenos.

NORMA ANSI


CARGABILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES DECORRIENTELa cargabilidad de los ncleos del transformador de corriente se obtiene sumando lapotencia individual consumida por cada uno de los instrumentos de medida y rels deproteccin conectados, ms la potencia consumida en las conexiones. Debido a latendencia de disminuir el consumo de los VA en los rels modernos, la potenciaconsumida en las conexiones resulta ser un parmetro cada vez ms importante para elclculo de la cargabilidad de los transformadores de corriente, an en los casos en loscuales la corriente nominal sea de 1 A; con la siguiente ecuacin obtenemos la potenciaconsumida en el cable:

en donde:

Pc: Potencia consumida por el cable, VAIs : Corriente que circula por el cable, 1 ARc: Resistencia del cable, /kml: Longitud del cable, km

lRcIP sC =2



CARGABILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES DECORRIENTESe calcula la tensin (Voltaje secundario) que se produce en los terminales de cada unode los ncleos del transformador de corriente a la corriente nominal con la siguientefrmula:

en donde:

Is: Corriente nominal del secundario del transformador, 1 ARi : Resistencia interna del devanado del transformador, Zb: Impedancia de la carga conectada, Pb: P + PC: Carga total conectada al ncleo, VA

( )biS ZRIV +=sec 2S

bb I

PZ =



INFLUENCIA DE LA CARGA EN LA PRECISIN: Circuito Equivalente:

V = I2 (Rct + R) => Vn = Kn.In (Rct + Rn) [1] => Vr = Kn.In (Rct + Rp)Rct: Resistencia del devanado secundario del CT => I2 = Kn.In = FLP.In

R: Resistencia de carga, incluyendo el cable => R = Rn = Pn / In2

Vn = Kr.In (Rct + Rp) [2] FLPreal > FLP

NORMA IEC


INFLUENCIA DE LA CARGA EN LA PRECISIN: Combinando: [1] y [2]Kr = Kn. (Rct + Rn) / (Rct + Rp)Kr = Kn. (Pi + Pn) / (Pi + Pr)

Pi: Rct . In2 : Perdidas internas del CT a In

Pn: Rn . In2 : Potencia a la precisin del CT

Pr: Rp . In2 : Consumo real del CT a In

Se incrementa el FLP usando un CT con una carga Pr < Pn

De otra manera el FLP incrementa mas si la Rct (prdidas internas) es baja

NORMA IEC


CARGABILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (Ejemplo real)

Para el calculo de las prdidas en el cable se utiliz un cable 10 AWG con unaresistencia de 3.344 /km:

El mximo burden obtenido para el circuito de medida fue en el transformador decorriente TI03, con un consumo 1,452 VA que corresponde a una cargabilidad del4,84%.

Igualmente el mximo burden en el circuito de proteccin fue obtenido en este CT conun consumo de 0,892 VA correspondientes a una cargabilidad del 2,97%.

Para cada uno de los ncleos se calculo la tensin de excitacin en condiciones decarga nominal y en condiciones de cortocircuito.

En la siguiente tabla se muestra un ejemplo de aplicacin para uno de lostransformadores de corriente de la subestacin a 110 kV.


Transformadores de Potencial (PT)

La tensin secundaria es prcticamente proporcional a la primaria, y el desfase entre estas es un ngulo cercano a 0


Figura Simbologa y circuito equivalente segn el tipo

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL


Figura PT tipo inductivo (600 V 115 kV)

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL


Figura PT tipo Capacitivo (>138 kV)


21/08/13 Protecciones-TC's/TP's 45Figura PT tipo capacitivo - Esquema


21/08/13 Protecciones-TC's/TP's 46Figura PT tipo doble polo aislado


21/08/13 Protecciones-TC's/TP's 47Figura PT tipo monopolo aislado



TRANSFORMADORES DE TENSIN -DEFINICIONES

Tensin nominal primaria: Debe especificarse un valor estndar igual o superior ala tensin nominal de la instalacin.

Tensin nominal secundaria: 100 V 110 V, segn IEC; 120 V segn ANSI/IEEE

Potencia nominal: Potencia en VA que suministra el transformador en el secundariocon la tensin nominal, y de conformidad con los requerimientos de la clase deprecisin. Si se tienen varios devanados, la potencia total es la suma de las potenciasindividuales de cada devanado.

Valores estndares IEC: 10 15 25 30 50 75 100 150 200 300 400 500 [VA]

Valores estndares ANSI: 12,5 (W) 25 (X) 35 (M) 75 (Y) 200 (Z) 400 (Z-Z)[VA] Clase de precisin: Segn IEC, se establecen dos clases: 3P y 6P. SegnANSI/IEEE se tienen: 0,3 0,6 1,2 (%) tanto para medida como para proteccin. Factor de tensin: Factor que se aplica a la tensin primaria para determinar el valoral cual el PT an cumple con sus caractersticas tcnicas lmites por cierto tiempo, ygarantizando la precisin especificada.


Figura Factores nominales de tensin

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL FACTORES DE TENSIN


TRANSFORMADORES DE POTENCIAL PLACA CARACTERSTICA


Figura Conexin en Delta Abierta

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL -CONEXIONES


Figura Conexin en Estrella



Figura Conexin en Estrella vs. Conexin en Delta Abierta



Figura Conexin en Broken Delta


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