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B.II: Transformadores de corriente

Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricode Potencia

IIE-Fing-UdelaR

Facultad de Ingeniería - UDELAR

(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 36

Indice

1 Introducción

2 Generalidades

3 Definiciones

4 Circuito equivalente del transformador de corriente

5 Regimen sinusoidal

6 Característica de magnetización

7 Errores de los transformadores de corriente


Introducción

Como los niveles de corriente del sistema de potencia son muy elevados, losinstrumentos de medida y los relés de protección no se pueden conectar enforma directa y lo hacen a través de transformadores de medida, los cualesse denominan transformadores de corriente.

Los transformadores de corriente tienen como función:- adaptar las corrientes 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 nominales de los

instrumentos de medida y relés de protección.


Generalidades

- Los transformadores de corriente constan de un bobinado primario y unosecundario arrollados sobre un núcleo magnético. Este núcleo puede sercerrado o tener un pequeño entrehierro.

- El arrollamiento primario se conecta en serie con el circuito de potencia yel arrollamiento secundario se conecta a los instrumentos de medida yrelés de protección.


Generalidades

- El arrollamiento primario puede estar constituido por una sola espira, opor múltiples espiras, las cuales a su vez se pueden dividir en partesiguales y conectarse en serie o paralelo para cambiar la relación detransformación.

- El arrollamiento secundario, que siempre consta de un gran número deespiras, puede tener derivaciones para conseguir diferentes relacionesde transformación.


Normas técnicas

Normas técnicasLas especificaciones de los transformadores de corriente deben seguir reglasque están determinadas en normas técnicas, entre las que se encuentran:

- IEC 61869-1: Transformadores de medida - Parte 1: Requerimientosgenerales

- IEC 61869-2: Transformadores de medida - Parte 2: Requisitosadicionales para los transformadores de corriente

- IEC 60044-1: Transformadores de medida - Parte 1: Transformadores deintensidad

- IEC 60044-6: Transformadores de medida. Parte 6: Requisitos para lostransformadores de intensidad de protección para la respuesta enrégimen transitorio.

- IEEE C57.13: IEEE Standard Requirements for Instruments Transformers


Definiciones utilizadas

Transformador de medida: Transformador de medida destinado a alimentara los instrumentos de medida, contadores de energía, relés deprotección y otros instrumentos.

Transformador de corriente: Transformador de medida en el cual lacorriente secundaria es, dentro de las condiciones normales deutilización, prácticamente proporcional a la corriente primaria ydesfasada con respecto a ella un ángulo cercano a cero, paraun sentido apropiado de las conexiones.

Corriente nominal primaria: Valor de la corriente primaria que figura en ladesignación del transformador y a partir de la cual sondeterminadas sus condiciones de funcionamiento.

Corriente nominal secundaria: Valor de la corriente secundaria que figuraen la designación del transformador y a partir de la cual sondeterminadas sus condiciones de funcionamiento.



Relación de transformación nominal: Relación entre la corriente nominalprimaria y la corriente nominal secundaria.

Error de relación : Error que el transformador introduce a la medida de unacorriente y que proviene de que la relación de transformaciónno es igual al valor de la relación de transformación nominal. Elerror de corriente o error de relación, expresado en por ciento,está dado por la fórmula:

Error de corriente ( %) =knIs − Ip

Ip× 100



Desplazamiento de fase: Diferencia de fase entre las corrientes o tensionesprimaria y secundaria, siendo elegido el sentido de los vectoresde manera que el ángulo sea nulo para un transformador ideal.El desfasaje se considera positivo cuando el vector de corrienteo tensión secundaria está en adelanto sobre el vector decorriente o tensión primaria.

Error compuesto: El error compuesto, es en régimen permanente, el valoreficaz de la diferencia entre:

los valores instantáneos de la corriente primarialos valores instantáneos de la corriente secundaria,multiplicado por la relación de transformación nominal

εc =100Ip

√1T

∫ T

0(knis − ip)2dt (1)


Transformadores de corriente para medición

Definiciones adicionales para los transformadores de corriente para medición:

Transformador de corriente para medición: Transformador de corrientedestinado a alimentar los instrumentos de medida, contadoresde energía y otros instrumentos.

Factor de seguridad: Se define el factor de seguridad como: la relaciónentre la corriente límite nominal primaria y la corriente nominalprimaria.

FS =IPL

Ipn


Transformadores de corriente para medición

Límite de la fuerza electromotriz secundaria: Producto del factor deseguridad por la corriente nominal secundaria y por el módulode la suma vectorial de la carga nominal e impedancia delarrollamiento secundario.

EFS = FS × Isr ×√

(Rct + Rb)2 + X 2b


Transformadores de corriente para protección

Definiciones adicionales para los transformadores de corriente destinados aprotección:

Transformador de corriente para protección: Transformador de corrientedestinado a alimentar los relés de protección.

Clase P: transformador de corriente para protección sin límite de flujoremanente, para el cual se especifica el comportamiento frentea la saturación en el caso de un cortocircuito simétrico.



Clase PX: transformador de corriente para protección con límite de flujoremanente, para el cual se especifica el comportamiento frentea la saturación en el caso de un cortocircuito simétrico.

Clase PR: transformador de corriente para protección con una reactanciade fugas baja y sin límite de flujo remanente, para el cual elconocimiento de la característica de excitación y de laresistencia del devanado secundario, la resistencia a la cargasecundaria y la relación de vueltas, es suficiente para evaluarsu desempeño en relación con el sistema de protección al cuales conectado.

Clase PXR: transformador de corriente para protección con límite de flujoremanente, para el cual el conocimiento de la característica deexcitación y de la resistencia del devanado secundario, laresistencia a la carga secundaria y la relación de vueltas, essuficiente para evaluar su desempeño en relación con elsistema de protección al cual es conectado.



Clase TPX : transformador de corriente para protección sin límite de flujoremanente, para el cual se especifica el comportamiento frentea la saturación en caso de una corriente de cortocircuitotransitoria, por el valor de pico del error instantáneo.

Clase TPY : transformador de corriente para protección con límite de flujoremanente, para el cual se especifica el comportamiento frentea la saturación en caso de una corriente de cortocircuitotransitoria, por el valor de pico del error instantáneo.

Clase TPZ : transformador de corriente para protección con una constantede tiempo secundaria especificada, para el cual se especifica elcomportamiento frente a la saturación en caso de una corrientede cortocircuito transitoria, por el valor de pico de lacomponente de alterna del error.



Corriente límite de precisión nominal: Valor máximo de la corrienteprimaria para la cual el transformador debe satisfacer lasrequisitos para el error compuesto.

Factor límite de precisión (ALF): Relación entre la corriente límite deprecisión nominal y la corriente primaria nominal.Factor límite de precisión: 5 - 10 - 15 - 20 - 30



Fuerza electromotriz límite secundaria: Producto del factor límite deprecisión por la corriente nominal secundaria y por el módulode la suma vectorial de la carga nominal e impedancia delarrollamiento secundario.Para los transformadores de corriente de protección clase P yPR, la fuerza electromotriz límite secundaria se calcula como:

EALF = ALF × Isr ×√

(Rct + Rb)2 + X 2b


Transformador de corriente

current transformers7215...42O kV

ENERÍBC

1.8804 '


Transformador de corriente

Post Type Gurrent Transformers123... 550 kV

I nstrument Transf ormers

ApplicationCurrent transformers are used totransform high voltage line current toa lower standard value that is insulatedagainst high voltage.For more than 60 years - since ACenergy was introduced - Haefely hasmaintained a leading position in thedevelopment and design of highvoltage ¡nstru ment transformers.Each consecutive development stageof this equipment was based on thelatest theoretical and technicalknow-how. Today Haefely is proud tooffer once more modern and reliablecurrent transformers which havepassed comprehensive type andendurance tests and were stressedunder the different service conditions.

DesignPrimary windingFig. 3 shows the basic layout. Theprimary winding consists of an alu-minium tube whlch is led throughthe transformer head. One side of thewinding is normally insulated fromthe head. Transformers with oneprimary turn can be equipped with aremovable bar primary to be con-nected to one side of the head. Thus,any connection in the head can beavoided.CTs can also be equipped with mul-tiple reconnectable primary windings.Fig. 7

Wiring diagram

EMILE HAEFELY & CO.CH.4028 BASEL.SWITZERLAND

Series rosr(

lnsulationThe cores and secondary windingsare located in the transformer head.They are housed in a rigid aluminiumshell which carries the high voltageinsuiation. The secondary windingsare led out through an oil-paperbushing to the base.The use of special insulating machineswarrants for extremely uniformwinding of the paper insulation. Con-ductive layers subdivide the insulationand are used to control the electricalfield.The insulation structure is speciallydesigned to ensure that the electricalfield is uniformely distributed at alllocations. This eliminates localstresses.The service life of the transformerheavily depends on the quality of thepaper insulation, which is dried andimpregnated under vacuum. For thisreason, these operations are per-formed carefully and are monitoredby ultramodern equipment. Prior tothe impregnation process, the insu-lating oil is processed under vacuumand tested.

lnsulatorGlazed insulators of first-class electro-grade porcelain are used. Brown orgrey porcelain can be delivered.The insulators are cemented withPortland cement into the flanges ofthe head and ofthe base. From thisresults a high mechanical tensile andcantilever strength.

HeadThe head housing is made of high-quality cavity-free cast aluminiumalloy and shaped to conform with theactive part. This design enables toreduce the oil volume, the weight ofthe transformer, and its dimensionsfor optimum economy. The headcarries the primary winding and the

HAEFELY

Head Design

LTD E217.

Fig.3 Fis.4170 kV current transformers andcapacitor voltage transformer (Type Haefely)

Fig.5lnside view of the terminal boxAs a standard, terminal blocks areused. Upon request, short circuitterminals can be supplied.1 Earthing terminal2 Gland plate standard: undrilled.Upon request, drilled or withconduit hub(s).

11

1215

'13

t4

1 Transformer head2 Bellows indicator3 Oil refillscrew (sealed)4 Metal bellows5 High voltage insulation6 Secondarywinding and cores7 Primary winding8 Cast aluminium head case9 Two lifting lugs

10 Porcelain insulator'l 1 Terminal box12 Secondary terminals13 Oil draining screw (sealed)14 Four lifting luos15 Earthing terminal


Circuito equivalente del transformador decorriente

Se establece un modelo circuital del transformador de corriente para poderanalizar el comportamiento del mismo.

N1

N2

I1

I2

Φ

Φd1

Φd2

-

+

Rd1

Rd2

-

+

V1

V2



La ecuación que rige el funcionamiento del transformador de corriente es:

i1N1 − i2N2 = ΦR (2)

donde:

Φd1 y Φd2: flujo de dispersion equivalentes primarios y secundarios.R: reluctancia del camino en el hierroRd1: reluctancia del camino equivalente de dispersion primarioRd2: reluctancia del camino equivalente de dispersion secundario



Definiendo:L1 =

N21

Rd1: inductancia de dispersion primaria

L2 = N2

Rd2: inductancia de dispersion secundaria

R1: resistencia del bobinado primarioR2: resistencia del bobinado secundario

⇒ se puede escribir:

V1 = R1I1 + L1dI1dt

+ N1dΦ

dt(3)

V2 = −R2I2 − L2dI2dt

+ N2dΦ

dt(4)



Sustituyendo la ecuación 3 en la ecuación 4 y denominando: k = N2N1

seobtiene:

V2 = −R2I2 − L2dI2dt− R1k2(

I1k

)− L1k2 ddt

(I1k

) + kV1 (5)

Sustituyendo la ecuación 2 en la ecuación 4 se obtiene:

V2 = −R2I2 − L2dI2dt

+ L0ddt

[I1k− I2] (6)

Se considera que el circuito magnético es lineal (sin saturación).



A partir de las ecuaciones 5 y 6 definen el siguiente circuito equivalente,siendo:

L0 =N2

2R : inductancia de magnetización del transformador

R0: pérdidas en el núcleo del transformador

V2

L2R2

L0R0

L1k2R1k

2

V1k

I1/kV1

I1 1:k

transf. ideal

I2

I1/k-I2


Simplificaciones

Consideraciones sobre los transformadores de corriente que influyen en sucircuito:

- por el tipo de conexión al sistema de potencia, la corriente que circulapor el primario del transformador está determinada por el circuito depotencia.

- la resistencia R1 y la inductancia L1 quedan en serie con la impedanciadel sistema de potencia y se pueden despreciar sin introducir errores.

- tienen su bobinado secundario uniformemente distribuido, lo que implicaque las fugas son pequeñas y la L2 puede despreciarse frente a R2


Regimen sinusoidal

Una corriente primaria sinusoidal, de velocidad ω, determina corrientes,tensiones y flujos sinusoidales; y el circuito se puede estudiar con lassiguientes ecuaciones:

V1 = Z1I1 + jN1ωΦ

Z1 = R1 + jωX1

V2 = −Z2I2 + jN2ωΦ

Z2 = R2 + jωX2

Φ = 1R [N1I1 − N2I2]

resultando en:

V2 = −Z2I2 + Z0( I1k − I2)


Régimen sinusoidal

⇒ el circuito equivalente queda:

V2V1k

I1/kV1

I1 1:k

transf. ideal

I2

I0E0

Z2Z1k

Con:E0 = Z0I0

I0 = I1k − I2

además E0 = jN2ωΦ


Diagrama fasorial

Con:I0L componente correspondiente a la magnetizaciónI0R componente correspondiente a las pérdidas


Característica de magnetización

Se han deducido ecuaciones que describen el funcionamiento deltransformador de corriente y su circuito equivalente, considerando que lacaracterística de magnetización de los núcleos tienen un comportamientolineal.Ahora consideraremos la influencia de la no linealidad del circuito magnético.


Errores en los transformadores de corriente

La no linealidad del núcleo implica que la corriente de excitación no sea unaonda sinusoidal pura, aunque la corriente primaria si lo sea. Analizando elcircuito equivalente, vemos que entonces la corriente secundaria tampocoserá una onda sinusoidal.Claro está que si la corriente de excitación tiene valores muy pequeños enrelación a la corriente secundaria, la deformación de esta última serádespreciable.


Errores en los transformadores de corriente

Error de relaciónConsideremos un transformador de corriente funcionando en forma lineal y lacorriente primaria es sinusoidal. Utilizando el circuito equivalente para elfuncionamiento en régimen sinusoidal permanente, se deduce:

Fi = error( %) =|kI2| − |I1||I1|

x100 = −| I1

k | − |I2|

| I1k |

x100 (7)

Error de desfasaje

Error en desfasaje = ángulo que forma la corriente primaria y la corrientesecundaria:

desfasaje = δi


Error en transformadores de corriente para medidaLos transformadores de corriente para uso en equipos de medida debentener sus errores de corriente y desfasaje dentro de determinados límites.

technicalcharacteristics*

Rated frequency 50 Hz or 60 HzSecondary current rated values 1,2,54Rated thermal short-circuit current Ith : 1 00 ln 1 s with max kA... 1 sNormal overheating current value lnNormal rated output accuracy values 5, 10, 15,30,50,75, i00 VANormal measurement accuracy classes 0.2, 0.5, 1, 3, s \Protection accuracy llmit factor normal values 5, 10, 15,20,30Protectron normal accuracy classes 5 P, 10 P

For protection in which transient mode Consult Enertecresponse is essential(classes TPX, TPY, TPZ, project IEC 38)Ambient air temperature- maximum * 40 "C- average daily not exceeding + 30 .C

- minimum - 25 "C* IEC 185 - 1966. (Other specilications consu/l Enertec.)

installationand connectionThe high voltage or line terminals, markedaccording to specifications, arecylindrical; dimensions depend on themains primary rated current.These are made from bronze (othermaterials on request).Their positions with respect to the LVterminal block is given on the diagram.These can be adapted according toinstallation conditions (to be stated whenordering). The low voltage outputs of thesecondary windings are taken to thejunction box via a block of oil-proof epoxyresin connections.Thrs waterproof junction box is located at

. the bottom of the base and designed toprevent condensation. lt is also designedfor easy connection of the conductors.The junction box is equipped with anremovable plate able to receive somestuffing box.A connection diagram provided in thejunction box enables rapid identificationand correct wiring.A current transformer must not be placedin service with one or several secondarywindings open-circuit. Non-loadedsecondary windings must beshort-circuited prior to connection to thehigh voltage system. The parts of non-usedtapped windings must not beshort-circuite. Grounding of the device ismade directly by means of a metal braid.The bottom of the base is fitted with fourholes for attachment by means of fouranchor bolts. The sides of the base areprovided with elements enabling fitting ofhooks for handling.

testsDuring manufacture, each currenttransformer is subrnitted to numerousand rigorous tests. lt is then subjected toroutine tests defined in the specificationin question. These tests are included in theprice. A test certificate stating values canbe provided without any supplementarycost for each device, if this is stated whenordering.Type and approval tests in officiallaboratories are invoiced at cost price.The various individual inspections andtests performed on each device are suchthat, in numerous cases, it is not necessaryto repeat these during acceptance.

curYes

4

o/o

+3

+2+1,5

Min

+180

+1ñ

+120

+90+80

+4AfJU

Sc0P

,"o

-30-40

+1+0,75s3otL

-0,

05 20 40 60 80 100+ o/o de 11

+ Current error Fi, as o/o and as functionof primary current lor c/asses 0.2... 3,according to IEC 185 - 1966 for currenttransf ormers11 = o/o rated primary currentF¡ = o/o AttOl Current1 = class 0.22 = c/ass 0.53 = c/ass 74 = c/ass 3

0 5 20 40 60 80 100 120+ o/o de 11

+ Phase shill 6 i, in minutes of angle asa lunction ol primary current lor c/asses0.2... 1, according to IEC 185 - 1966 Íorcurrent transÍormers11 = o/o nominal primary current6l : phase shitt'in m¡n'utes1 = class 0.22 = class 0.53 = class 7

120

Current transformer tor protect¡on where transient mode response is essenlia/.Qscillogram indicating the error of a measurement reducer through which two successlye short-circuitcurrents flow.Highest mains voltage 420 kV (rms).Rated transformation ratio: 3000/1 .

Rated thermal short-circuit current lth 63 kA x 1s.Power and accuracy ciass 70 VA c/ass TPY (proiect IEC 38, may 1978).

:

Y

v


Transformadores de corriente: IEEE C57-13

Precisión La precisión de un transformador de corriente está definida solopara el régimen estacionario, durante condiciones normales defuncionamiento o en condiciones de falta.

- Clase para medida- Clase para protección



Factor de corrección del transformador (TCF): Es la relación entre lapotencia activa (watts) o energía activa (watts/hour) real y lapotencia activa (watts) o energía activa (watts/hour) medida enel secundario, dividida por la relación nominal. TCF es igual alfactor de corrección de la relación multiplicado por el factor decorrección del ángulo, para un factor de potencia primarioespecificado.

Factor de corrección de la relación (RCF): Relación entre la relación realde transformación y la relación nominal. La corriente primariaes igual a la corriente secundaria multiplicada por la relaciónnominal y por el factor de corrección de la relación (RCF).

Factor de corrección del ángulo (PACF): Relación entre el factor depotencia real y el factor de potencia medido. Este factor semide en función del desfasaje del transformador de corriente ydel factor de potencia del circuito primario.



Transformadores de corriente para medida

Los transformadores de corriente para medida exige más precisión de lascorrientes secundarias que los utilizados para protección. La clase deprecisión de los transformadores de corriente para medida requieren queTCF se mantenga dentro de ciertos límites.




La precisión de los transformadores de corriente para protección ponerequerimientos en el factor RCF: RCF no debe exceder 10 %. Dado que hayvarias clases de transformadores de corriente para protección, estos sedesignan por una letra y por la tensión nominal secundaria:

- Letra C, K o T. El flujo de dispersion en el núcleo de los transformadoresde corriente designados con la letra C y K no influye la relación detransformación. Para los transformadores de corriente designados con laletra K, además la tensión de codo debe ser al menos 70 % de la tensiónnominal secundaria. Los transformadores de corriente designados con laletra T tienen un flujo de dispersion considerable en el núcleo, la cualdeteriora la relación de transformación.

- Tensión nominal secundaria. Esta tensión es la tensión máxima, productode la carga nominal por 20 veces la corriente nominal, lo cual mantienela relación de transformación de exceder el valor de RCF en un 10 %.


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