capitulo_7 tr de instrumento

Capítulo VII

Transformadores para Instrumento

e clasifican en dos grandes grupos:

a) Para medición. b) Para protección.

Dado que el objetivo principal de este trabajo se refiere al estudio de los sistemas de protecciones, en este capitulo se anali-zaran los transformadores de instrumento para protección. Transformadores de instrumento para protección. Este tipo de transformadores forman par-te del equipo asociado en la operación de los dispositivos de protección. Se clasifi-can por su magnitud de influencia en dos grupos: I) Transformadores de corriente. II) Transformadores de potencial. Algunas ventajas del uso de transforma-dores para protección. 1) Permiten la operación de equipo de protección del tipo indirecto, manejando magnitudes pequeñas de corriente o volta-je. 2) Permiten aislar eléctricamente a los equipos de protección del circuito princi-pal, con lo que se pueden proteger equipos que operan en alta tensión, con equipos de protección en baja tensión.

3) Permiten el montaje de los equipos de protección a una distancia remota y pru-dente, desde el circuito principal, disminu-yendo la presencia de campos y eléctricos producidos por altas corrientes. 4) Proporcionan seguridad en el trabajo al personal encargado de la supervisión y mantenimiento del equipo de protección. Transformador de corriente (TC). Está diseñado para suministrar una co-rriente secundaria tal, que en condiciones normales de uso, es proporcional a la co-rriente primaria y desfasada con respecto a ella un ángulo cercano a cero grados. Forma de construcción de un TC. Es similar a un transformador de distri-bución o de potencia. Como se puede ob-servar en la FIGURA VII.I, esta integrado por dos devanados y un núcleo magnético. Los devanados son de conductores de co-bre aislado (alambre, cinta o barra). El nú-cleo magnético esta fabricado a partir de laminaciones de acero al silicio de grano orientado de alta calidad. Generalmente, el arreglo devanados-núcleo, esta encapsula-do en resinas moldeables con característica aislante, o sumergidas en recipientes con-teniendo aceite mineral o algún liquido sin-tético.

Clasificación por su forma de construc-ción.

S

VII-1

SISTEMAS DE POTENCIA III V. AYALA

Básicamente la establece la forma en que están dispuestos los devanados. Así te-nemos que existen los siguientes grupos:

1) Toroidal: Dentro de este grupo se incluyen, el tipo dona, el tipo “bus-hing” o tipo boquilla, el tipo venta-na y el tipo barra. (ver figura VII.2)

2) Tipo columna.

Donde: IP= Corriente del primario. IS= Corriente del secundario. P1= Terminal de polaridad del primario. P2= Terminal de no polaridad del primario. S1= Terminal de polaridad del secundario. S2= Terminal de no polaridad del secundario. Figura VII.1 COMPONENTES DE UN TC

Figura VII.2

En el primer grupo (toroidal), el devana-do primario esta constituido por el propio alimentador del circuito principal (cable para el tipo dona, y barra de cobre para los tipo ventana). El cual hace pasar por el

orificio del núcleo (ver figura VII.3). En el caso del tipo columna , los devanados están instalados en forma distribuida en el propio cuerpo del transformador de co-rriente.

DONDE: 1.- I circulando por el circuito principal. 2.- Cable del circuito principal. 3.- TC tipo dona.

FIGURA VII.3

P1 P2

S1 S2

FIGURA VII.4 SIMBOLO EMPLEADO PARA REPRESENTAR UN TC EN DIAGRAMAS

ELÉCTRICOS. Relación de transformación (RTC) o constante de un TC (KTC) Es la relación de la corriente en el deva-nado primario IP y la corriente en el deva-nado secundario IS. Se designa con la letra “n” o como RTC o también KTC. Su ex-presión matemática es:

ISIPKTCRTCn ===

La corriente secundaria esta normalizada a 5 A, teniendo también disponible el valor de 1 A, para aplicaciones en laboratorios. A continuación se presentan algunos valo-res de corrientes primarias normalizadas que ofrecen los fabricantes de transforma-dores de corriente:

VII-2


5, 10, 15, 25, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 1600, 2000, 2500, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000 y 12000 A. Los transformadores de corriente se fa-brican en versiones de relación de trans-formación única, doble y múltiple. A con-tinuación se presentan algunos ejemplos en los que se utiliza la nomenclatura normali-zada para informar sobre la KTC. Errores que introduce el uso de un TC. El uso de transformadores de corriente introduce dos errores: el error de relación y el error de ángulo de fase. El error de relación se debe a que la IS no es exactamente proporcional a la co-rriente primaria. La inexactitud está en función de la IP, la impedancia de los equipos conectados al secundario y la fre-cuencia. La mayor influencia la tiene la forma de construcción en devanados y nú-cleo. Como se sabe en un transformador “real” existen perdidas por histéresis y co-rrientes de foucault, y la componente de la corriente de magnetización Im produce un desfasamiento a un ángulo diferente de 180°, a diferencia de cómo sucede en un transformador ideal donde el ángulo si se supone de 180°. Esa condición es la que in-troduce el error de ángulo de fase. Lo ante-rior se puede apreciar de manera clara en el circuito equivalente y los diagramas faso-riales de las figuras VII.5 y VII.6. Se re-ducen las pérdidas construyendo el núcleo a partir de un acero de alta calidad (baja re-luctancia) y disponiendo los devanados de tal forma que se reduzca al mínimo la co-rriente de excitación. El error de relación, que como se dijo an-teriormente, se refiere a la falta de propor-cionalidad entre la IS y la IP, se informa

como un factor de corrección de relación FCR en %, siendo su expresión matemática la siguiente:

100XMARCADARELACION

VERDADERARELACIONFCR =

De manera similar el error de ángulo de fase se expresa en forma de un factor, el factor de corrección de ángulo de fase FCAF, que se refiere al desfasamiento di-ferente de 180° entre IP e IS por un ángulo llamado β cuyo valor se da en minutos. La expresión matemática para calcularlo es la siguiente:

( )θβθ

coscos +

=FCAF

Donde: θ es el ángulo cuyo coseno es el factor de potencia de la carga conectada al secundario del TC. Clase de precisión en TC usados en sis-temas de protección. La norma oficial mexicana DGN-J-109-1977, para “transformadores de corriente”, señala que “la clase de precisión para pro-tección, debe ser designada por dos símbo-los, una letra y un número, los cuales des-criben la capacidad del transformador”. En la tablaVII.1 se indican las tensiones secundarias y cargas correspondientes a cada clase de precisión para protección, con la siguiente interpretación:

VII-3

Designa-ción

Carga nominal a 60 Hz

Carga equivalen-te a 50 Hz

Factor de poten-cia

Características de las cargas nominales

Resistencia Ω Inductancia mH Impedancia Ω

60 Hz 50 Hz 5 A 1 A 5 A 1 A 5 A 1 A

60Hz 50 Hz 60 Hz 50 Hz

B-0.1 2.5 2.43 0.9 0.93 0.09 2.25 0.116 2.9 0.1 0.097 2.5 2.43 B-0.2 5.0 4.86 0.9 0.93 0.18 4.50 0.232 5.8 0.2 0.194 5.0 4.86 B-0.5 12.5 12.14 0.9 0.57 0.45 11.25 0.580 14.5 0.5 0.486 12.5 12.14B-1 25.0 22.0 0.5 0.57 0.5 12.5 2.3 57.5 1.0 0.879 25 22.0 B-2 50.0 44.0 0.5 0.57 1.0 25.0 4.6 115.0 2.0 1.757 50 44.0 B-4 100.0 88.0 0.5 0.57 2.0 50.0 9.2 230.0 4.0 3.515 100 88.0 B-8 200.0 176.0 0.5 0.57 4.2 100.0 18.4 460.0 8.0 7.030 200 176.0

TABLA VII.II CARGAS NOMINALES PARA TC´s CON CORRIENTE DE 5 A Y 1 A,

A FRECUENCIAS DE 50 Y 60 Hz SEGÚN NORMA MEXICANA

Esto significa que la impedancia máxi-ma de carga que representan los elemen-tos que pueden conectarse al secundario del TC, para que este conserve 2.5% de error máximo cuando circule 20 veces la IS nominal, deberá ser de 1 ohm. b) Burden en voltamperes.

VAAxVISnESB 25

205100

20max ===

La interpretación aquí sería que los ele-mentos que se conecten al secundario del TC, no deberán consumir mas de 25 VA en condiciones normales, para que el error máximo, cuando circulen hasta 20 veces la IS nominal (20x5A), sea el 2.5%. Un error común, al establecer el “bur-den” por conectarse al secundario de un TC, es el de no considerar la carga que representan los conductores que conectan los TC’s con los relevadores de protec-ción. No obstante que por lo generalmen-

te representan TC. Por tal motivo, como se verá más adelante, para efectos de cál-culo de errores por uso de TC¨s, deberá considerarse este aspecto. A continuación se da la expresión matemática que permi-te evaluar el consumo de los conductores. S=Z (IS)2

Donde: Z= es la impedancia del conductor expre-sada en ohms, que conecta al TC con los relevadores, en su trayectoria de ida y vuelta. IS= es la corriente nominal del secunda-rio del TC

10H10 10L10

VII-1


10H20 10L20 10H50 10L50 10H100 10L100 10H200 10L200 10H400 10L400 10H800 10L800 2.5H10 2.5L10 2.5H20 2.5L20 2.5H50 2.5L50 2.5H100 2.5L100 2.5H200 2.5L200 2.5H400 2.5L400 2.5H800 2.5L800

TABLA VII.III CLASE DE PRESICIÓN EN TC´s SEGÚN NORMA ASA Clase de precisión según las normas ANSI (American National Standards Institute).

Esta clasificación es la fuente de la nor-ma nacional mexicana, y su interpretación es similar a lo expuesto anteriormente pa-ra la norma citada. Clasificación de precisión IEC (Inter-national Electrical Conventions).

La nomenclatura que utiliza se debe in-terpretar considerando el siguiente orden:

(Capacidad en voltamperes) (Clase de precisión) (Aplicación) (Múltiplo de la corriente secundaria).

La capacidad del TC en voltamperes se especifica para la corriente nominal se-cundaria (5 A).

La clase de precisión está especificada para el valor máximo de corriente admi-

sible, expresada en múltiplos de la co-rriente nominal secundaria.

El uso específico del TC se indica con una M para medición y una P para pro-tección.

El múltiplo de la corriente nominal se-cundaria, se refiere a la corriente máxima a la cual el TC conserva su clase de preci-sión.

Ejemplo: Si un TC se especifica como 15VA 0.2 P 10, se debe interpretar de la siguiente manera:

Tiene 15 VA de “burden”, el error máximo que introduce el TC a “burden” y corriente nominales es de 0.2%, para pro-tección, y para una corriente máxima pri-maria igual a 10 veces la nominal.

VII-5


β = Angulo de defasamiento Ip = Corriente primaria Is = Corriente secundaria Ie = Corriente de excitación Ih+e = Corriente de perdidas en el hierro Im = Corriente de magnetización A = Relación de número de espiras pri-marias al número de espiras secundarias (N1/N2) Zs = Impedancia del devanado secundario Zb = Impedancia de la carga secundaria (BURDEN) Vs = Voltaje secundario Es = Voltaje secundario de excitación P1 y P2 = Terminale4s primarias S1 y S2 = Terminales secundarias Figuras VII.5 y VII.6 Circuito Equivalen-te Simplificado y Diagrama Fasorial de un TC.

Recomendaciones en el uso de TC’s.

• No se deben instalar fusibles en el

circuito conectado al devanado secundario del TC.

• El devanado secundario nunca de-be operar en circuito abierto (energizado el primario y sin car-ga conectada al secundario). En caso de no existir carga conectada en el secundario, éste se debe cor-tocircuitar mediante un puente en-tre las terminales S1 y S2, o entre todas si es de relación múltiple.

El tener un TC con el devanado prima-rio energizado y el secundario abierto (sin carga), implica que se introduzcan volta-jes muy elevados que deterioran el aisla-miento y pueden provocar que el TC fa-lle, y también ponen en peligro la seguri-dad del personal que tienen acceso al equipo. Como se vera más adelante, los relevadores del tipo removible que son alimentados por TC’s, al retirarse de sus gabinetes para una reparación o calibra-ción, de manera automática se establece un puente entre las terminales fijas del gabinete que conectan al secundario del TC.

• No es recomendable utilizar la se-ñal del secundario de un TC para alimentar en forma simultanea equipos de medición y protección.

Conexiones típicas de transformadores de corriente.

Las terminales P1 y P2 del devanado pri-mario se conectan en serie con el circuito principal. Por norma la terminal de no po-laridad (S2) se aterriza. El número de TC’s depende de la forma de operación del dispositivo de protección por alimen-

VII-6


tar. Se requiere uno por fase, así se ten-drán esquemas en los cuales se requiera una sola señal de una corriente de línea, y por lo tanto se usara un solo TC. Hay Es-quemas de protección en los que se nece-sita la señal de la corriente de cada una de las fases, y en consecuencia se montarán tres TC´s, por una fase. Para esta última necesidad existen dos formas de conexión típicas para los devanados secundarios, en estrella aterrizada y en delta VER FIGURAS VII.7, VII.8 VII.9 Y VII.9B).

fase

1

2

3

Lado

línea

Lado

carg

a

51

FIGURA VII.7 CONEXIÓN DE UN SOLO TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

Simbología normalizada para posición de montaje de TC’s.

La norma mexicana de TC’s, establece que el fabricante se obliga a informar mediante un símbolo, de la posición física en que se deben de montar los TC’s para que estos funcionen correctamente según su diseño. A continuación se presentan las diferentes modalidades.

La punta de flecha hacia la parte superior de la placa, significa montaje con base horizontal y cuerpo del aparato hacia arriba.

La punta hacia la parte inferior de la placa, indica montaje con base horizontal y cuerpo hacia abajo.

La punta horizontal, indica monta-je con base vertical. Significa que el transformador puede ser montado indistintamen-te con base horizontal o vertical.

Significa que el transformador puede ser montado indistintamen-te en todas posiciones.

A B C

IA IB ICIa

Ib

Ic

IT

5 1 A

5 1 B

5 1 C

5 1 N

FIGURA VII.8 CONEXIÓN EN

ESTRELLA ATERRIZADA DE TRES TC’s.

VII-7


A B C

IA IB IC

Ia

Ib

Ic

Ia-Ic

Ib-Ia

Ic-Ia

FIGURA VII.9A CONEXIÓN EN

DELTA DE TRES TC’s (1a OPCIÓN).

A B C

IA IB IC

Ia

Ib

Ic

Ia-Ib

Ib-Ic

Ic-Ia

FIGURA VII.9B CONEXIÓN EN

DELTA DE TRES TC’s (2a OPCIÓN)

ESPESIFICACIONES APLICABLES A TRANSFORMADORES DE CORRIENTE.

Se refieren a términos normalizados que especifican ciertas características de dise-ño y construcción, y que resultan muy importantes y se deben establecer al se-leccionar un TC.

A continuación se listan los más impor-tantes:

1) Relación de transformación (RTC) o constante del transformador de corriente

(KTC) ó ISIPn =

2) Clase de precisión. Para protección (ver tabla VII.I).

3) Voltaje nominal.

4) Número de devanados secundarios. Relación sencilla, doble o múltiple.

5) Tipo toroidal: dona, ventana, boquilla, barra. Devanado distribuido.

6) Sobrecorriente dinámica. Se refiere a la corriente máxima de impulso o instan-tánea que soporta el transformador sin dañarse.

7) Sobrecorriente térmica. Establece la corriente máxima que soporta el trans-formador durante 4 segundos sin dañarse.

8) Factor de sobrecorriente. Valor de so-brecorriente que puede soportar un TC durante periodos de tiempo largos sin da-ñarse. Es del orden de 1.2 veces la IP ó 1.2 IP.

9) BIL (basic insulation level) nivel bási-co de impulso.

VII-8


Criterios para seleccionar un trans-formador de corriente.

Al seleccionar un TC se deben de espe-cificar cada una de las características an-tes descritas. A continuación se dan algu-nas recomendaciones mínimas que deben tomarse en cuenta para especificar correc-tamente un TC.

La RTC o KTC se establece a par-tir de las siguientes referencias: Se debe tomar en cuenta la corriente nominal Inom del circuito donde estará instalado el TC, de tal ma-nera que la Inom será igual o menor que la IP. También, la corriente de corto circuito en el punto del sis-tema donde se instalara el TC no debe ser mayor de 20 veces la IP, es decir, 20 IP será menor o igual a la corriente de corto circuito (Icc). Así para definir la IP se reco-mienda dividir la Icc entre 20, y el resultado tomado como referencia para elegir la IP en valor superior disponible en el mercado. Por ejemplo, supóngase un circuito donde la corriente nominal que circulará sea de 906 A. y la co-rriente de corto circuito de 30000 A. La selección del TC conside-rando solamente estos dos facto-res, seria:

Por corriente nominal (Inom). Consultando los valores normalizados de IP disponi-bles en el mercado y que se informan en la pagina VII.-3 de este libro, tomaríamos el de 1000 A.

Por corriente de corto circuito (Icc), ten-dríamos que dividir la Icc entre 20, es de-

cir: .150020

3000 A= por lo tanto, el valor

elegido seria 1500 A.

Tomando en cuenta lo anteriormente expuesto, el TC tendría una:

51500

=KTC esto para que conserve la

clase de precisión.

En lo que respecta al voltaje no-minal, este debe ser igual o mayor que el voltaje de operación del cir-cuito donde se instalara el TC.

Para seleccionar el tipo, se debe considerar la forma de conexión que tendrá el TC con el circuito principal. Por ejemplo, si el cir-cuito principal esta constituido por un alimentador con cable, el adecuado puede ser un tipo dona. Si por el contrario, el circuito principal es una barra de cobre electrolítico, como es el caso en la generalidad de los tableros de control y protección, los adecua-dos podrían ser del tipo ventana o tipo barra. Si los TC’s se van a montar en el propio tanque de un transformador de potencia, los in-dicados serán del tipo boquilla o “Bushing”.

El número de devanados lo define

la necesidad específica del circui-to que se alimentara con el TC. Por ejemplo, si se pretende ali-mentar un esquema de protección a partir de relevadores de sobreco-rriente, un TC de relación sencilla será el mas adecuado, con lo cual

VII-9


el número de devanados será de dos.

Curvas de excitación y fenómeno de sa-turación del núcleo de un TC.

A partir del circuito equivalente que ilustra la Figura VII.5 y conocida la co-rriente de excitación de un TC, se puede determinar el % de error que introduce el TC que alimenta una carga o “burden” bien definido.

El análisis del circuito equivalente es-tablece que la corriente de excitación de-pende del voltaje secundario de excita-ción y de la impedancia de excitación que representa el efecto de la magnetización y las perdidas en el núcleo, o lo que es lo mismo la corriente de excitación tiene como componentes a las corrientes de magnetización y de perdidas. Dicha im-pedancia no es constante sino variable y se usa para modelar el fenómeno físico que se presenta en el núcleo.

La definición de la magnitud de la co-rriente de excitación se vuelve un pro-blema complicado dada la no linealidad de la impedancia de excitación. La mag-nitud de la corriente de excitación se de-termina aplicando un voltaje conocido en las terminales del devanado secundario del TC, estando el devanado primario en circuito abierto. Conocida la corriente de excitación para varios valores de voltaje se construye la curva de excitación co-rrespondiente. El trazado de la curva de excitación de un TC se obtiene a partir del circuito indicado en la Figura VII.10 con el siguiente procedimiento: El deva-nado del primario se mantiene en circuito abierto. Se usa una fuente de voltaje va-riable y se inicia con un valor de voltaje

igual a cero y se va incrementando el vol-taje aplicado en pasos de 5 o menos volts, se registran las lecturas del voltímetro y del amperímetro y se van graficando en cada paso, al iniciarse en la curva la “ro-dilla”, se debe proceder con todo cuidado ya que a pequeños aumentos de la magni-tud de voltaje corresponden altos incre-mentos en la magnitud de la corriente. A partir de esta curva se puede calcular el error de relación que introduce el uso de un TC.

Ejemplo de cálculo de % de error de un TC a partir de una curva de excitación.

Se tiene un TC con AKTC5

600=

cuyo circuito secundario alimentara a un relevador de sobrecorriente, en modalidades de dispositivo 50/51. el relevador de sobrecorriente es un tipo CO-9 de Westinghouse, con un rango de calibración de 4 a 12 A. en la uni-dad con retardo de tiempo intencional 51, y de 10 a 40 A. en la unidad con disparo instantáneo 50. La carga que representa el relevador al conectarse al secundario del TC, se define con-sultando el boletín técnico del releva-dor que proporciona el fabricante, y haciendo las siguientes consideracio-nes:

A C

P 1

P 2

S 1

S 2

V M

A M

FIGURA VII.10 CIRCUITO PARA DETERMINAR LA CURVA DE

VII-10


EXCITACIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

1) Dispositivo 50. Considerando que el rango de ajuste es de 10 a 40 A, se toma el valor máximo, es decir 40 A. el cual requiere de 40 VA para operar correctamente (ver ta-bla VII.IV).

2) Dispositivo 51. En este caso el rango de calibración es de 4 a 16 A. el fabricante informa en un bo-letín técnico que para 10 veces el valor de ajuste, considerando 4 A. el relevador requiere de 146 VA, según la tabla VII.V del boletín técnico del fabricante del releva-dor. Se toma este múltiplo porque 4x10 equivale al ajuste de la uni-dad 50, es decir 40 A.

3) También como ya se dijo ante-riormente, se debe considerar la carga que significa la impedancia de la trayectoria de ida y vuelta del cable de conexión entre el TC y el relevador. La impedancia del cable la informan los fabricantes de cables en ohms por unidad de longitud. Conocida la impedancia del cable Zcable , se sustituye en la expresión:

donde IS es la corriente máxima que se espera circule a través del cable, que en este caso correspon-de a la calibración de la unidad ins-tantánea del relevador, siendo esta de 40 A. Suponiendo para este ejemplo que:

cableZxIS 2

ohmsZcable 080.0= se tendría:

TCSECcable xZISVA 2=

( ) VAxVAcable 128080.040 2 ==

4) La impedancia del devanado se-cundario del TC también significa una carga, la cual se puede calcu-lar a partir de la expresión:

VAZSEC TC = IS2x ZSEC TC

VAZSEC TC = (40)2x0.2975= 476 VA

La ZSEC TC se solicita al fabricante.

La información anterior se procesa de la siguiente manera, para determinar el % de error al cual trabajara el TC.

a) La carga total o “burden” conec-tado al devanado secundario del TC, expresado en volts-amperes (VA), se obtiene sumando los VA de los cuatro elementos listados anteriormente así:

BURDEN en

VA = VA50 + VA51 + VACABLE + VAZ TC

VA = 40 + 146 + 128 + 476 = 790 VA to-tales.

Y

2ISVAenBURDENZBURDEN =

( )494.0

40790

2 ==BURDENZ Ω

b) El voltaje necesario en las termi-nales del devanado secundario del TC, para que opere el relevador a su ajuste máximo de 40 A. se cal-cula como indica a continuación:

VII-11


BURDENMAX ISxZV =

VOLTSxVMAX 76.19494.040 ==

c) La corriente de excitación del TC se determina a partir de su curva de excitación, misma que puede ser solicitada al fabricante del TC, o en su defecto obtenida en forma experimental con el procedimien-to que se describe en la pagina VII-9

Para este ejemplo la curva de excita-ción del TC se da en la figura VII.11. Utilizando la curva para el TC con

una 5

600=KTC se ingresa en el eje

vertical con 19.76 volts, que corres-ponden al voltaje de excitación calcu-lado, obteniéndose en el eje horizontal una corriente de excitación (IEXC) de 0.025 A.

Burden en VA

RANGO EN AMPERES

Ajuste Mí-nimo

Ajuste Máximo

2-8 4.5 32

4-16 4.5 32

10-40 4.5 40

20-80 6.5 70

40-160 9.0 144

TABLA VII.IV BURDEN EN VA. DE UN RELEVADOR DE SOBRECORRIENTE CON

CARACTERISTICA DE DISPARO INSTANTANEO MARCA WESTINGHOUSE

d) Finalmente el porcentaje de error (%E) se calcula de la siguiente forma:

%E = 100xIS

IEXC

%E = 063.010040025.0

=x

Como el %E es menor del 10 % como lo establece la norma ANSI C53.13, el esquema opera correctamente. Si el resultado fuera mayor del 10%, seria necesario utilizar un TC diferente, y quizás también un cable de conexión con una impedancia menor.

Transformador de Potencial (TP).

Es un transformador reductor y está di-señado para proporcionar un voltaje se-cundario tal, que en condiciones de uso normal, es proporcional al voltaje prima-rio y desfasado con respecto a él un ángu-lo cercano a cero grados.

Forma de construcción de un TP.

Es similar a un transformador de distri-bución o de potencia. Como se observa en la figura VII.12 está integrado por dos devanados y un núcleo magnético. Los devanados son de conductores de cobre aislado (alambre, cinta o barra). El núcleo

VII-12


magnético esta fabricado a partir de lami-naciones de acero al silicio de grano orientado de alta calidad. Generalmente, el arreglo de devanados-núcleo, esta en-capsulado en algún tipo de resina mol-deable con característica aislante, o su-mergido en un recipiente que contiene aceite mineral o algún líquido sintético.

Clasificación por su construcción.

Existen dos grupos básicos:

Tipo seco encapsulado en resina moldeable.

Tipo sumergido en aceite mineral.

VP

IPP1 P2

IS

S1 S2

VS

DONDE: IP = corriente en el primario.

IS = corriente en el secundario.

P1 = terminal de polaridad del primario.

P2 = terminal no polaridad del primario.

S1 = terminal de polaridad del secundario

S2 = terminal de no polaridad del secundario.

VP = voltaje terminal en el primario.

VS = voltaje terminal en el secundario.

FIGURA VII.12 COMPONENTES DE UN TP.

Símbolo empleado para representar un TP en diagramas eléctricos.

P1 P2

S1 S2 FIGURA VII.13

Relación de transformación (RTC) o constante de un TP (KTP).

Es la relación del voltaje en el devanado primario VP al voltaje del devanado se-cundario VS. Su expresión matemática es:

VSVPKTPRTP ==

El voltaje secundario esta normalizado a 126 volts, teniendo también disponible el valor de 240 volts para aplicaciones especiales. A continuación se dan algunos valores de voltajes primarios normalizados que ofrecen los fabricantes de TP’s. 120, 240, 300, 480, 2400, 4800, 7200, 14400, 24000, 34500, 46000, 69000, 85000, 115000, 138000, 161000, 196000, 230000, 287000, 345000 volts. Los transformadores de potencial se fa-brican en versiones de relación única do-

VII-13


ble y múltiple. A continuación se presen-tan algunos ejemplos en los que se utiliza la nomenclatura normalizada para especi-ficar la KTP: De relación única: 480:120 V.; 2400:120 V.; 14400:120 V. De doble relación: 440x220:120 V.; 4800x2400:120 V. De relación múltiple: 440x220x120:120 V. Errores que introduce el uso de un TP. El uso de transformadores de potencial introduce dos tipos de errores: el error de relación y el error de ángulo de fase. La FIGURA VII.14 muestra el circuito equivalente simplificado de un transfor-mador de potencial. Como se puede ob-servar las corrientes de excitación y se-cundaria produce una caída de voltaje cuando circulan por las impedancias de los devanados primario y secundario, lo que introduce un error en el voltaje se-cundario, tanto en magnitud como en re-lación de ángulo de fase. Lo anterior se puede apreciar de manera clara en las FIGURA VII.14 y VII.15. Se reducen las pérdidas construyendo el núcleo a partir de un acero de alta calidad (baja reluctancia) y disponiendo de deva-nados de tal forma que se reduzca al mí-nimo la corriente de excitación. El error de relación, como se dijo ante-riormente, se debe a la falta de proporcio-nalidad entre VS y VP, se informa como un factor de corrección de relación FCR en %, siendo su expresión matemática la siguiente:

100xMARCADARELACIÓN

VERDADERARELACIÓNFCR°

=

De manera similar, el error de ángulo de fase se expresa en forma de un factor, el factor de corrección de ángulo de fase FCAF, que se refiere al defasamiento di-ferente de 0º entre VP y VS, por un ángu-lo llamado y cuyo valor se da en minutos. La expresión matemática para expresarlo es la siguiente:

( )θλθ

CosCosFCAF +

=

Normas de clasificación de precisión en TP’s: Las normas oficiales mexicanas de la DGN, presenta la siguiente clasificación:

Cargas normalizadas (burden) para TP’s.

Volt-Amper

Designación equivalente o de carga normaliza-

da.

Factor de po-tencia de la

carga

12.5 W 0.10 25.0 X 0.70 75.0 Y 0.85 200.0 Z 0.85 400.0 ZZ 0.85

TABLA VII.VI

VII-14


a lp Is

a le

Z p / 2 a

Z s

a lh + e a lmV p /a

E s V s

S 1

Z b

S 2

IS ZS

VS

γ ES

a la (ZP/a2)

VP/a γ = Angulo de defasamiento.

Ip = Corriente primaria.

Is = Corriente secundaria.

Ie = Corriente de excitación.

Ih+e = Corriente de perdidas en el hierro.

Im = Corriente de magnetización.

Vp = Voltaje primario.

Vs = Voltaje secundario.

Es = Voltaje secundario de excitación.

Zp = Impedancia del devanado primario.

Zs = Impedancia del devanado secundario.

Zb = Impedancia de la carga secundaria (Burden).

a = Relación del número de espiras primarias al número de es-piras secundarias (N1/N2).

S1, S2 = Terminales secundarias.

FIGURAS VII.14 Y VII.15 CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO Y DIAGRAMA FASORIAL DE UN TP.

Clase de precisión

(*) limites de los factores

FCR y FCT

(*) limites del FP

atrasado de la car-

ga

0.3 1.003-0.997 0.6-1.0

0.3 1.006-0.994 0.6-1.0

0.3 1.012-0.988 0.6-1.0

(*) Desde 110 % hasta 90 % del voltaje nominal a frecuencia nominal desde una carga conectada igual a cero hasta la es-pecificada.

TABLA VII.VII CLASES DE PRECISION PARA LOS TP’s.

Carga normalizada o “Burden” de un TP.

Como se en la TABLA VII.VI, se de-signa mediante una letra y corresponde al valor en volts-amperes máximos que el transformador puede alimentar sin perder su clase de precisión. Así, un TP con un “burden” designado con la letra W, podrá alimentar una carga de 12.5 volts-amperes sin perder la clase de precisión que el fabricante especifique.

Clase de precisión para un TP.

Como se ve en la tabla VII.VII, se in-forma con un número, el cual representa el error máximo en % que el TP introduce al “burden” especificado por el fabricante del TP.

VII-15


Ejemplos de especificación de clase de precisión y carga normalizada (bur-den) en TP’s.

1) Un TP especificado como 0.3W, se debe interpretar que tiene una clase de precisión de 0.3, o sea que introduce un error máximo de 0.3% cuando entrega un máximo de 12.5 VA.

2) Un TP especificado como 0.3W, X; 0.6Y; 1.2Z se debe interpretar que tiene una clase de precisión 0.3 o que introduce un error máximo de 0.3%, cuando entrega 12.5 VA ó 25.0 VA y hasta 75.0 VA inclusive, pro también posee una clase de precisión de 0.6, ó in-troduce un error de 0.6% cuando entrega un máximo de 200 VA.

3) Un TP especificado como 0.3W, X; 0.6Y; 1.2Z se debe interpretar que cuenta con tres diferentes cla-ses de precisión 0.3, 0.6 y 1.2, o sea errores de 0.3%, 0.6% y 1.2% cuando entrega como máximo 12.5 y 25.0 VA, 75 VA, y 200 VA respectivamente.

Conexiones típicas de transforma-dores de potencial.

Es uso generalizado la conexión de TP’s en “delta abierta” (conexión “V”) cuando las cargas son balancea-das, y por lo tanto, se esperan voltajes de línea balanceados (ver FIGURA VII.16).

FASES 1 2 3

FIGURA VII.16 CONEXIÓN DELTA ABIERTA EN TP's.

Cuando la carga conectada a los TP’s requieren de un voltaje de fase (línea a neutro), se conectan en estre-lla-estrella (ver FIGURA VII.17).

1

2

3

FIGURA VII.17 CONEXIÓN ESTRELLA-ESTRELLA DE TP’s

VII-16


1 2 3

(a)

1 2 3

(b)

N

FIGURA VII.18 CONEXIÓN DE UN SOLO TP PARA OBTENER LA SEÑAL DE a) UN VOLTAJE DE LINEA, b) UN VOLTAJE DE FASE.

A veces los equipos de protección re-quieren voltajes específicos en delta o en estrella, y en casos se hace necesario rea-lizar un análisis previo para definir la forma de conexión de los TP’s.

Capacidad térmica nominal de un transformador de potencial. Se refiere a la capacidad máxima en vol-tamperes que pueden soportar un TP en forma continua con voltaje secundario

nominal, sin exceder los límites de tem-peratura indicados en la TABLA 4 de la norma ANSI C57.13. Capacidad de corto circuito de un transformador de potencial. Se refiere a la capacidad que debe tener un TP para soportar durante un segundo los esfuerzos mecánicos y térmicos origi-nados por un corto circuito en las termi-nales del devanado secundario al aplicar el voltaje nominal en el devanado prima-rio. La temperatura en los conductores de los devanados del transformador no de-ben exceder de 250˚ C para transformado-res de 55˚ C de aumento y 350˚ C para transformadores de 80˚ C de aumento. Criterios de selección de las caracterís-ticas de un TP. Al seleccionar un TP se deben establecer las siguientes especificaciones:

a) El voltaje del primario (VP) debe-rá ser mayor o igual al voltaje nominal del circuito al cual se co-nectará el TP.

b) La carga representada por los ele-mentos que se conectarán al se-cundario del TP, no debe ser ma-yor al “burden” o “carga normali-zada” del TP.

c) Se debe especificar clase de preci-sión para protección, es decir 0.3, 0.6 ó 1.2.

d) Según el estilo donde se instalará el TP, se deberé indicar si es para montaje interior (bajo tecos o en gabinete) o exterior(a la intempe-rie).

VII-17


VII-18

capitulo_7 tr de instrumento

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