transformadores de instrumentación

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

TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTACIÓN:

CORRIENTE &TENSIÓN

Transformadores de Corriente (CT)


Figura – CT con tres secundarios

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE


Figura – CT tipo Estación-Primario o en “U”



Figura – CT tipo Estación-Primario Pasante



Figura – CT tipo Devanado



Figura – CT tipo Buje



Figura – CT tipo Barra



Figura – CT tipo Ventana




EXACTITUD --- PRECISIÓN

Este término es usado para al menos dos propósitos diferentes:

• Para describir la precisión de un dispositivo

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

• Para especificar la precisión de una medida.

En el segundo caso, la exactitud de una medida específica, es ladiferencia entre lo medido y el valor real de una cantidad. Ladesviación del valor real es la indicación de cuán 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 relé)

Zp = Impedancia vista en el lado de alta tensión, en Ohm

TC: Relación de transformación del transformador de corriente

TV : Relación de transformación del transformador de voltaje

TV

TCZpZs *=



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

Figura – Nomenclatura de TC según norma IEC (IEC600 44-1)

nn

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

P mm

Ejemplo: Un CT de 30 VA, clase 5P10, de 5 A significa que éste CT tiene un error máximo 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 PrecisiónClase de Precisión: ProtecciónExactitud: Error del 5%

P 10530VA

Precisión en Potencia: Carga

Para I = FLP x In => La precisión 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 CARACTERÍSTICA TÍPICA


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 Precisión: Valor de carga en la cual se basan las condiciones deprecisión

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

Valores estandares: 1 – 2.5 – 5 – 10 – 15 - 30 VA

• Clase de precisión: Error limite garantizado

ESPECIFICACIONES - NORMA IEC 60044


DEFINICIONES:

• Clases especiales de precisión PX : Mínimo valor de la tensión 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 tensión, causaun incremento del 50% en corriente.

• Factor de precisión real Fp o Kr: Relación 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 Precisión FLP ó Kn: Relación entre la sobrecorriente nominal(10In) y la corriente nominal del CT (In), es decir (10).

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

• Tensión nominal: Tensión 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 delos terminales del secundario es normalmente aterrizado.

NORMA IEC


SELECCIÓN DEL CT DE ACUERDO CON LAS PROTECCIONES:

• Sobrecorriente instantánea

Umbral: I S : puede ser ajustado de 2 a 10 In

Es necesario que no exista saturación 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 mínimo FLP (Kr) recomendado es: Kr > 2 x 6.4 = 12.8

NORMA IEC


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓNEl flujo magnético total en un área determinada, está dado por la siguiente expresión:

= ·

Si el vector de la densidad de flujo magnético es perpendicular a un plano de área y si la densidad de flujo magnético es uniforme en toda el área, la ecuación se reduce a la siguiente expresión:

= · El voltaje secundario del CT está relacionado con el número de espiras N y con la variación del flujo magnético en el núcleo, de acuerdo con la Ley de Faraday:

= · Luego

= · · = ·


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓN

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

= · · ( − )


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓNIntegrando la ecuación del flujo total:

· · = · =

! · "# · − $

% − 1

'( )

· · = ! · "# · − $%

− 1 ' + $

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

· · · = ! · "# · −)%

− ' + )%

Es posible demostrar que el valor máximo de la expresión entre corchetes corresponde a 1 + * ⁄ . Por otro lado, el producto ! · "# sería el voltaje simétrico secundario ,!producido en el secundario del circuito equivalente del CT por la componente simétrica de la corriente de falla en el primario -, referida al circuito secundario a través de la relación de transformación del CT


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓNDe esta forma, el flujo máximo permisible para una corriente de cortocircuito asimétrica se puede expresar así:

· · · = ,! · 1 + ) %.Donde el voltaje secundario se calcula según la siguiente expresión:

,! = ! · %/0 +

El flujo máximo que permite el núcleo de un CT para garantizar la precisión especificada en sus características técnicas se indica a través del voltaje de saturación, el cual, según las definiciones de la norma IEC 60044, se determina a través de la inyección en terminales del secundario de un voltaje sinusoidal, en conjunto con el cual se mediría la corriente de excitación para determinar la característica de magnetización del núcleo del CT, y de esta tomar el valor del voltaje de saturación, según se define en las normas IEC 60044-1 e IEC 61869-2. Por esta razón, se puede escribir:

· 123 = · · = 4) ,2 · cos( ) ·


CRITERIO PARA EVITAR SATURACIÓN

· · = 4) ,2 · 1 '( )

· · = ,2

· · · = ,2

Igualando las expresiones para el flujo máximo en el núcleo, superior al cual se presentaría saturación, se tiene:

,2 = ,! · 1 + ) %.El anterior se considera el criterio con el cual se verificaría si un CT sería capaz de evitar la saturación en → ∞.


Dimensionamiento de CT ´s a partir del FLP reales (Kr)

Definición según norma

La IEC60044 puede transferirse a BS ANSI/IEEE C57.13Clase C, define CT ´s por su tensión 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 (Sch neider)

NORMA IEC


FLP reales (Kr): Requeridos para algunas aplicaciones (Sie mens)

NORMA IEC


Ejemplo: Verificación de estabilidad para la protección de barras 7SS50 deSiemens

NORMA IEC


SELECCIÓN DE ACUERDO CON NORMAS ANSI

• En la norma IEEE C57.13-1993 Standard Requirements for InstrumentTransformers, la clase de exactitud de un transformador de corriente usado parala conexión de protecciones está descrita por una letra la cual indica si laexactitud puede ser calculada (Clase C) o puede ser obtenida a través depruebas físicas (Clase T).

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

• Las cargas nominales de CT ´s 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 leído desde la curva de excitación con una corriente de 100 amperios.

NORMA ANSI


• El voltaje secundario nominal es el voltaje que el CT soportará a la carga nominalcuando cruza una corriente de 20 veces la nominal sin exceder un 10% de error en larelación de transformación.

• Para la relación de 2000:5, el voltaje leído 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 excitación transformador de corr iente 2000:5 A

Curva de Excitación

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Corriente de Excitación ( A )

Vol

tios

de E

xcita

ción

( 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 selección de CTs a través de la siguiente expresión:

• IF es la máxima corriente de falla en por unidad

• ZB es la carga del CT en por unidad de la carga nominal (1,2,4,8 Ω)

• X/R es la el factor de calidad del circuito de falla primario

BF ZIR

X**120

+≥

FIR

XZb

*1

20

+≤

NORMA ANSI


Procedimiento para la selección de transformadores de corriente con aplicación en sistemas de protección de acuerdo con normas ANS I:

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

• Determinar la correspondiente relación 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 ecuación 2 y seleccionar la carga máxima permitida en el secundario del CT.

Por ejemplo :

Para una línea de transmisión con una relación de X/R igual a 12 y una corriente defalla de 4 veces la corriente nominal del CT, se encuentra que de acuerdo con laecuación ZB debe ser menor o igual a 0.38 P.U. de la carga nominal de 8 ohmios. Portanto, la saturación será minimizada manteniendo una carga en el CT de 3.04 Ohm omenos.

NORMA ANSI


CARGABILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES DECORRIENTELa cargabilidad de los núcleos del transformador de corriente se obtiene sumando lapotencia individual consumida por cada uno de los instrumentos de medida y relés deprotección conectados, más la potencia consumida en las conexiones. Debido a latendencia de disminuir el consumo de los VA en los relés modernos, la potenciaconsumida en las conexiones resulta ser un parámetro cada vez más importante para elcálculo de la cargabilidad de los transformadores de corriente, aún en los casos en loscuales la corriente nominal sea de 1 A; con la siguiente ecuación obtenemos la potenciaconsumida en el cable:

en donde:

Pc: Potencia consumida por el cable, VA

Is : Corriente que circula por el cable, 1 A

Rc: Resistencia del cable, Ω/km

l: Longitud del cable, km

lRcIP sC ∗∗= 2



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

en donde:

Is: Corriente nominal del secundario del transformador, 1 A

Ri : Resistencia interna del devanado del transformador, ΩZb: Impedancia de la carga conectada, ΩPb: P + PC: Carga total conectada al núcleo, VA

( )biS ZRIV +=sec 2S

bb

I

PZ =



INFLUENCIA DE LA CARGA EN LA PRECISIÓN:

• Circuito Equivalente:

• V = I2 (Rct + R) => Vn = Kn.In (Rct + Rn) [1] => Vr = K n.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 = K r.In (Rct + Rp) [2]

• FLPreal > FLP

NORMA IEC


INFLUENCIA DE LA CARGA EN LA PRECISIÓN:

• Combinando: [1] y [2]

Kr = Kn. (Rct + Rn) / (Rct + Rp)

Kr = Kn. (Pi + Pn) / (Pi + Pr)

• Pi: R ct . In2 : Perdidas internas del CT a In

• Pn: Rn . In2 : Potencia a la precisión 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 (pérdidas inter nas) es baja

NORMA IEC


CARGABILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (Ejemplo real)

Para el calculo de las pérdidas en el cable se utilizó un cable 10 AWG con unaresistencia de 3.344 Ω/km:

• El máximo 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 máximo burden en el circuito de protección fue obtenido en este CT conun consumo de 0,892 VA correspondientes a una cargabilidad del 2,97%.

• Para cada uno de los núcleos se calculo la tensión de excitación en condiciones decarga nominal y en condiciones de cortocircuito.

• En la siguiente tabla se muestra un ejemplo de aplicación para uno de lostransformadores de corriente de la subestación a 110 kV.


Transformadores de Potencial (PT)

La tensión secundaria es prácticamente proporcional a la primaria, y el desfase entre estas es un ángulo cercano a 0°


Figura – Simbología y circuito equivalente según el tipo

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL


Figura – PT tipo inductivo (600 V – 115 kV)

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL


Figura – PT tipo Capacitivo (>138 kV)



Figura – PT tipo capacitivo - Esquema



Figura – PT tipo doble polo aislado



Figura – PT tipo monopolo aislado



TRANSFORMADORES DE TENSIÓN -DEFINICIONES

• Tensión nominal primaria: Debe especificarse un valor estándar igual o superior ala tensión nominal de la instalación.

•Tensión nominal secundaria : 100 V – 110 V, según IEC; 120 V según ANSI/IEEE

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

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

Valores estándares ANSI: 12,5 (W) – 25 (X) – 35 (M) – 75 (Y) – 200 (Z) – 400 (Z-Z)[VA]

• Clase de precisión: Según IEC, se establecen dos clases: 3P y 6P. SegúnANSI/IEEE se tienen: 0,3 – 0,6 – 1,2 (%) tanto para medida como para protección.

• Factor de tensión: Factor que se aplica a la tensión primaria para determinar el valoral cual el PT aún cumple con sus características técnicas límites por cierto tiempo, ygarantizando la precisión especificada.


Figura – Factores nominales de tensión

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL –FACTORES DE TENSIÓN


TRANSFORMADORES DE POTENCIAL – PLACA CARACTERÍSTICA


Figura – Conexión en Delta Abierta

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL -CONEXIONES


Figura – Conexión en Estrella



Figura – Conexión en Estrella vs. Conexión en Delta Abierta



Figura – Conexión en Broken Delta


transformadores de instrumentación

Documents