Transformadores De Medida Y Proteccion Hm 3i602k

” NUEVAS

EXIGENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCIÓN ECOLÓGICOS”

2. - MARCO TEÓRICO Los transformadores de medida son medios de servicio eléctrico que transforman magnitudes eléctricas primarias en otras secundarias apropiadas para los instrumentos de medida, contadores y relés de protección. Las características nominales de estos transformadores son: - Potencia nominal

: VA

- Carga nominal (burden)

: VA

- Frecuencia nominal

: Hz

- Condiciones de servicio

: T.amb. Máxima 40°C.

Los transformadores de medida se clasifican en dos tipos: - Transformadores de corriente - Transformadores de tensión. Estos transformadores se utilizan para la alimentación de los diversos aparatos y/o circuitos de control para: Medir parámetros eléctricos. Registrar parámetros eléctricos. Visualizar parámetros eléctricos. Sistemas de protección, entre otros.

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Los transformadores de medida sirven para: • Medir altas tensiones e intensidades con aparatos de bajo alcance. • Separar eléctricamente el circuito medido a los aparatos de medida, permitiendo la realización de medidas en alta tensión y corriente con aparatos de baja tensión y corriente. • Poder instalar aparatos de medida en lugares distintos a los del circuito medido. •

Así evitamos las interferencias provocadas por los campos magnéticos

externos en el trabajo de los aparatos de medida. •

Se aumenta la seguridad del personal y permite la ubicación de los

aparatos

TABLA N° 2.2.- POTENCIA CONSUMIDA POR METRO DE CONDUCTOR DE COBRE TIPO THW VDE SECCION (mm²) 2.5 4 6 10

INTENSIDAD SECUNDARIA 5A (VA/m) 0.18 0.11 0.07 0.044

INTENSIDAD SECUNDARIA 1A (VA/m) 0.007 0.0044 0.0029 0.00175

TABLA N° 2.3.- CLASES DE PRECISION NORMALIZADAS IEC CLASE 0.1 0.2-0.5 1 1

MEDIDAS ELECTRICAS II

UTILIZACION MEDIDA DE PRECISION EN LABORATORIOS MEDIDA DE POTENCIA Y ENERGIA PARA FACTURACION MEDIDA PARA SERVICIOS INDUSTRIALES Y PROTECCIONES MEDIDAS DE POCA PRECISION Y PROTECCIONES

HUBER MURILLO MANRIQUE

2

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS 2.2.- CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Figura N° 2.1.- Transformadores de medida encapsulados ABB Es importante su diseño para aliviar su transporte y manejo cómodo. Difieren en sus disposiciones constructivas con respecto a los transformadores de intensidad de línea, dado por el uso de tensiones que varía entre 220 y 440 V y condiciones de instalación y montaje.



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS

Figura N° 2.2.- Partes del transformador de corriente - conexionado -

Núcleo magnético (formada por chapas magnéticas).

-

El secundario.

- Borneras de conexión. - Bornes de fijación.

2.3.- TRANSFORMADORES DE TENSION El transformador de tensión se utiliza para bajar las altas tensiones de los sistemas eléctricos, con fines de medida o para alimentar a las bobinas voltimétricas de los relés, a tensiones más bajas en los modernos transformadores de tensión, la tensión secundaria tiene siempre un valor nominal de 110 V.



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Figura N° 2.3.- Conexionado de un transformador de potencial

DIAGRAMA VECTORIAL DE UN TRANSFORMADOR DE TENSIÓN U1

I2X2

I2R2

U2

TENSIÓN VS

FLUJO

I2

I0

DE MEDIDA MURILLO M. FiguraTRANSFORMADORES N° 2.4.- Diagrama vectorial de un transformadorING.deHUBER tensión

De acuerdo con este diagrama y con las características de funcionamiento que se exigen en un transformador de tensión, éste debe cumplir con las siguientes condiciones: MEDIDAS ELECTRICAS II


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Figura N° 2.5.- Transformadores de potencial Instrument Transformers ABB EJF, a s., IT división

La relación de cambio de un transformador de tensión está expresada por: U1 / U2 = n1 / n2 = k = constante O sea:

U1 * n2 = U2 * n1

Los valores normalizados de la tensión primaria son: 110, 220, 380, 440, 2,200, 3,330, 5,500, 6,600…. hasta 750 KV. En el caso de transformadores trifásicos destinados a conectarse entre el punto neutro y un conductor activo de una red trifásica, las tensiones simples se expresan bajo la forma U/√3, siendo

U la

tensión compuesta correspondiente. Capacidad de Sobrecarga.Tensión nominal de aislamiento. Precisión.- En un transformador de tensión, la precisión depende esencialmente, de dos factores: MEDIDAS ELECTRICAS II


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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS - El error de relación de transformación. - Y por el ángulo de pérdida. También en un transformador de tensión, el error de relación de transformación como el ángulo de pérdida dependen, esencialmente, del valor de la corriente de vacío.

TABLA N° 2.4.- CLASES DE PRECISION PARA LOS TRASNFORMADORES DE POTENCIAL IEC CLASE

ERROR DE RELACION EN %

ERROR DE ANGULO (minutos de arco)

0.1 0.2 0.5 1 3

±0.1 ±0.2 ±0.5 ±1 ±3

±5 ±10 ±20 ±40 ..

TABLA N° 2.5.- CLASES DE PRECISION PARA LOS TRASNFORMADORES DE CORRIENTE IEC CLASE

ERROR DE RELACION EN %

ERROR DE ANGULO (minutos de arco)

5P 10P

±1 ±2

±60 …

Potencia nominal .Pruebas con tensión de choque.- Se prueba al aislamiento externo al transformador con las tensiones correspondientes. Pruebas del arrollamiento base lluvia para transformadores a la intemperie, Pruebas de espiras y Ensayo descarga parcial.



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS 2.4.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Relación de transformación RTP = Vp / Vs = V1N /V2N RTC = Ip /Is

=

I1N /I2N

V2N : 120 ó 115 Voltios AC. La I2N utilizada es: 5A ó 1A La clase de precisión visto en las tablas N° 2.4 y 2.5. Los errores cometidos en la medición deben hallarse dentro del rango de sus límites, de manera tal que no interfiera con la medición correcta. La precisión depende de: - Diseño. - Alimentadores. - Cargas ó burden. También se presentan los errores siguientes: - Error de relación de transformación. - Error de ángulo. Por esta razón se establecen los factores de corrección. - Factores de sobre intensidad nominal Ei. - Factores de corrección de Angulo de fase. 2.5.- DENOMINACIÓN DE LOS TRANFORMADORES PARA MEDICIÓN

Transformadores de Medida M5 ó M10 - según el tipo de núcleos. Rangos de medición.



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Rango normal.- Puede operar permanentemente con 1.2IN, manteniendo los límites de error de su clase entre (0.1 a 1.2) IN. Rango extendido.- Pueden operar permanentemente con 2IN. Estos son de 200% (ext. 200%). Sus límites de error de fase (0.05 a 2) IN. Doble rango.- Hacen para dos relaciones de nominales de transformación con la misma relación numérica sin conmutación 5 y 1ª. Transformadores de Protección Se les denomina

A - P - B

Donde: A Es la clase de exactitud - error total cuando sucede B. P Protección. B Factor limitador de exactitud B veces la I Nominal. Ejemplo: Hacer la descripción de 5P10 Cuando el transformador de corriente es usado en protección para 10 In, el error total máximo debe ser 5%. El factor limitador de exactitud normalizado: B = 5, 10, 15, 20 y 30. 2.6.- CARGA Es la Z total de la carga con su respectivo R y X L (Z= R + jXL) Puede expresar como: VA, Ω y FP a un valor especificado de corriente, tensión y frecuencia [4]. Cargas conocidas: Conductores - se calcula. Instrumentos - dato fabricante. 3.1.- POTENCIA NOMINAL (VA)



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS La potencia aparente nominal en VA, es aquella que puede suministrar el transformador manteniendo la clase de precisión que se halla inscrita en la placa de datos.

Figura N° 3.1.- Consumo de conductores de cobre 3.2.- HOJA TECNICA DE LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA Cuando se desea seleccionar técnicamente un transformador de medida ó protección es necesario conocer los siguientes parámetros: Relación de transformación

Vp/Vs

Carga de precisión

(VA)

Clase de precisión

cl.

Factor de seguridad

Fs.

Intensidad térmica

Ith

Intensidad dinámica

Id

Aislamiento

MΩ

Clase térmica

B, F, H

Gama extendida

……..

Frecuencia

50/60 Hz

Tensión de aislamiento

3 KV



10

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Corriente térmica de cortocircuito

60 x In

Corriente dinámica,

2,5 x Ith

Máxima tensión

0.72 KV a.c.

Encapsulado plástico

autoextinguible

Bornes secundarios

precintables

Figura N° 3.2.- Transformadores de corriente resinado Normas IEC 44.1, IEC 185 Factor de límite de protección para trafos de protección Valores típicos: 10, 15, 20, 30. Aplicación: Relés de protección Ejemplo: trafo TR60 + relé MPRB Denominación: 5P10



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Figura N° 4.1.- Trasformadores de medida de alta tensión

Figura N° 5.2.- Unifilar del trasformador de tensión capacitivo MEDIDAS ELECTRICAS II


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Ensayo de descarga parcial de cada unidad de condensador. Ensayo de estanqueidad de cada unidad de condensador.

Figura N° 5.3.- Transformador de tensión capacitivo

Figura N° 6.1.- Constitución de los transformadores de tensión inductivos



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7.- TRANSFORMADORES MIXTOS 1.- Conexión delta abierta: 02 de tensión y 02 de corriente. 2.-

Conexión estrella: 03 de corriente y 03 de tensión.

7.1.- CONSTITUCION DE LOS TRANSFORMADORES MIXTOS Núcleos y Arrollamientos.Estanque del Transformador.Arrollamiento Primario.Núcleos y Arrollamientos secundarios.Cabezal.

Figura N° 7.1.- Transformadores de medida mixtos Transporte y Montaje.-

Normalmente los transformadores se

transportan en posición vertical.



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Normas.- Es una unidad compacta que puede aplicarse para realizar la medición, control y protección integral de los circuitos de baja, media, alta y muy alta tensión; y es fabricado de acuerdo a las prescripciones de las normas internacionales IEC, ANSI, VDE e INDECOPI. Ventajas: Notable reducción de costos. Mayor capacidad contra sobretensiones y cortocircuitos. Clase de precisión garantizada. Instalación simple. Mínimo espacio requerido. Sin riesgo de conexiones erróneas. Eficaz para realizar balances de energía eléctrica. Utilización de los transformadores mixtos en instalaciones exteriores e interiores.Por qué preferir un transformador mixto? Características de funcionamiento generales: Tensión máx. del sistema

....... Kv.

Tensión BIL

75 a 170 Kv.

Potencia nominal

…….. VA.

Neutro del sistema

Asilado ó puesta a tierra.

Frecuencia de la red

50 ó 60 Hz.

Altitud de la instalación

....... msnm.

Nivel de cortocircuito

..…… Mva.

Montaje

Exterior ó interior.

Características de los bobinados de tensión. Potencia

: 50, 100 VA

Relación

: 2.2...... 36 / 0.1, 0.22 Kv.



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Clase de precisión

: 0.2, 0.5, 1 (para medida)

Clase de precisión

: 3P, 6P (para protección)

Conexión

: Delta abierto Estrella con ó sin neutro.

Características de los bobinados de corriente. Potencia

: 15, 30 VA

Relación

: ..... / 5, 2, 1

Clase de precisión

: 0.2, 0.5, 1 (para medida).

Clase de precisión

: 5 P10, 5P20, 10 P10. *

Conexión

: Delta abierto ó Estrella.

* Utilizados en protección.

Figura N° 7.2.- Unifilar del transformador en BT y MT.



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Figura N° 7.3.- Unifilar del transformador de medida mixto 7.3.- UNIFILARES DE LAS UNIDADES DE MEDIDA Transformadores combinados de: 2 transformadores de tensión y 2 de corriente, pudiendo ser 3 de tensión y 3 de corriente. Son fabricados de acuerdo a las normas internacionales IEC. Rango de potencia

: <= 50 VA.

Nivel de tensión

: <= 36 KV.

Clase de precisión

: 0.5



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Figura N° 7.4.- Transformadores de corriente en BT convencionales

Figura N° 7.5.- Transformadores de corriente en BT modernos MEDIDAS ELECTRICAS II


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Figura N° 7.6.- Transformadores de corriente en grandes clientes BT.

Figura N° 7.7.- Transformadores de medida mixto MT. MEDIDAS ELECTRICAS II


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7.4.- TRASNFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION ESPECIALES Con respecto a los transformadores Convencionales 

No existe riesgo de incendio.



No contaminan el medio ambiente.



Buena performance en ambientes agresivos y contaminados.



Mayor capacidad de sobrecarga.

Figura N° 7.8.- Transformadores de medida mixtos ecológicos.



Mayor expectativa de vida.



Mayor rendimiento.



Menores gastos de operación de mantenimiento.



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7.5.- PRUEBAS REALIZADAS A TRANSFORMADORES DE MEDIDA Pruebas de resistencia óhmica.Prueba de resistencia de aislamiento.Prueba de rigidez dieléctrica en el aceite.Prueba de índice de polarización.-

8.- TRANSFORMADORES ELCOLÓGICOS Ante a las nuevas exigencias: el cuidado del medio ambiente y las tendencias a elevar la confiabilidad de los sistemas de energía, surge como

una

alternativa

ventajosa

sobre

los

Transformadores

Convencionales la línea de Transformadores de Distribución Ecológicos. 8.1.- VENTAJAS TECNOLÓGICAS MODERNAS Las ventajas mas importantes son: Ecológicamente aceptable. Seguridad contra el fuego comprobables. Alta capacidad de sobrecarga. Alta durabilidad. Adecuado para cargas no lineales. Desempaño comprobado. Mínimo mantenimiento. Materiales con tecnología de punta. 8.2.- CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS TRANSFORMADORES MEDIDAS ELECTRICAS II


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Las características más importantes son: Alta clase térmica. Diseño compacto y tamaño reducido. Reducen sus dimensiones hasta un 75%. Peso total muy reducido. Mínimas pérdidas totales. Alta capacidad de sobrecarga. Compatibilidad total de materiales. 8.3.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS Aislamiento solido.Los aislamientos usados presentan características muy importantes como: Clase térmica 180° C. Base de nomex.

Figura N° 8.1.- Materiales aislantes clase H MEDIDAS ELECTRICAS II


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Núcleo de acero al silicio.- El núcleo de acero al silicio es muy especialmente seleccionado dado el tipo de prestaciones, en tal sentido a continuación presentamos las características: Alta calidad M4 y grano orientado. Corte oblicuo a 45°. Certificación ISO 9000.

Figura N° 8.2.- Materiales: Cobre electrolítico, acero al silicio y pasatapas Cobre electrolítico: Alta pureza. Alta resistencia a los cortocircuitos.

Figura N° 8.3.- Corrientes de fuga de la silicona, EPDM y porcelana



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Aisladores bushing poliméricos de silicona.- El Dow Corning empezó investigando los fluidos de la silicona como el refrigerante de potencial dieléctrico en los años cincuenta. Fluido refrigerante - silicona dow corning 561.- Es el material con la cual se cubre los arrollamientos primario y secundario, siendo sus propiedades más importantes:

Figura N° 8.4.- Comportamiento frente al medio ambiente La seguridad del personal profesional.- . 8.4.- NORMAS APLICABLES

Figura N° 8.5.- Trasformadores de medida ecológicos MEDIDAS ELECTRICAS II


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Código Eléctrico nacional Normas de ASTM National Fire Protection Association (NFPA) NFPA

1996 National Electric Code

NEC 450-23

Less-Flamable

Liquid-Insulated

Transformes NEC 450-26

Oil-Insulated Transformers Indoors

NEC 450-27

Oil-Insulated Transformers Outdoors

American Society for Testing and Materials (ASTM) ASTM D 4652-92

Standard Specificacions for Silicone Fluid Used for Electrical Insulation

ASTM D 2225-92

Standard Methods of Testing Silicone Fluid Used for Electrical Insulation

10.- APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA En esta parte del trabajo se utilizará el fundamento teórico como base de los cálculos a realizar. Las aplicaciones presentadas son de uso frecuente en los circuitos de medidas y protección de los sistemas eléctricos de potencia. En tal sentido es que presentamos las siguientes aplicaciones: 10.1.- FACTOR DE SOBRE-INTENSIDAD EN FUNCIÓN DEL BURDEN Por razones técnicas y económicas los transformadores de corriente (TC)

no deben sobredimensionarse sobre la base de la IN y VA

nominal de las cargas que corresponden a los circuitos.



25

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Si la potencia conectada difiere

de la potencia

nominal

del

transformador, el factor de sobre-intensidad varia: n´ = n x [Sn + SE] / [S + SE] Donde:

n´

Factor de sobre-intensidad real.

n

Factor de sobre-intensidad nominal.

Sn

Potencia nominal en VA.

SE

Consumo propio del transformador 10% SN.

S

Potencia realmente conectada.

Aplicación N° 1.- Un transformador de corriente (TC) tiene las siguientes características: RTC

1000/1/1A,

Ith = 25KA,

Um = 12 KV.

1er núcleo

10 VA: núcleo de medida 1M5.

2do núcleo

15 VA: núcleo de protección SP10.

Potencia realmente conectada. 1er núcleo

Amperímetro de aprox. 4 VA.

2do núcleo

Protección mecánica temporizada contra

sobrecorrientes de aprox. 22 VA. Núcleo de Medida n = 5

Sn = 10 VA

SE = 0.1 x 10 = 1 VA

S = 4 VA

n´ = 5 x (10 + 1) / (4 + 1) = 11 n´ ≈ 2n Esto implica que:

Sn ≈ S

Notas: La potencia del transformador Sn es muy grande. Si se mantiene este transformador se tiene que adherir carga artificial. MEDIDAS ELECTRICAS II


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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS El aparto de medida no queda protegido contra los efectos de las corrientes de cortocircuito. Núcleo de protección n = 10

Sn = 15 VA

SE = 0.1 x 15 = 1.5 VA

S = 22 VA

n´ = 10 x (15 + 1.5) / (22 + 1.5) = 7.02 n´< n Esto implica que:

Sn ≈ S

Notas: La señal de corriente no se transmite correctamente, y esto hace: -

En que no haya respuestas.

-

ó que el aparato de protección trabaje en forma errónea.

Si la potencia conectada es mayor que la nominal S > SN, el TC no podrá cumplir con las condiciones normadas para mantener el límite de error y la exactitud de clase. Elegir un TC de mayor potencia. Por este motivo SN debe adaptarse siempre a S. Aplicación N° 2.- A una distancia de 25 m se halla la carga de un TC con una RTC …. / 1 A, se utiliza cable THW de 2.5 mm2. Consumo de los aparatos Amperímetro

1 VA

Registrador de potencia

6 VA

Contador de corriente 3ø

0.8 VA

Hallar el burden y Sn Pérdida en línea.

SL = 2 ρL(L / A) I22n

SL = (0.01754) (2) (25) (12) / 2.5 = 0.3508 VA MEDIDAS ELECTRICAS II


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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS S = 7.8 + 0.35 = 8.1508 VA

Aplicar el factor seguridad 1.15

Ir al catálogo del fabricante Sn = 10 VA Aplicación N° 3.- Cuando la longitud simple es 35 m. Perdida máxima isible en la línea 5 VA en 35 m. PLINEA = 5 VA/35 m = 0.143 VA/m Ir tabla

SCU = 1.5mm2

I2N = 1A

Ir tabla

SCU = 6mm2

I2N = 5A

Muy importante las pérdidas en las líneas en BT. Hallar los conductores adecuados para TCs de 1 y 5 A de corriente secun-daria. 10.2.- CÁLCULO DE LAS POTENCIAS PARCIALES APLICADAS A LOS TRANSFORMADORES PRINCIPALES La carga conectada y el propio consumo del transformador totalizador de corriente deberían ser los más bajos posibles de manera que se pueda reducir al máximo la potencia del transformador principal. A continuación presentamos el valor nominal de la relación total de transformación: 400/1 + 600/1 + 1000/1 = 2000/1 A. Sn = ρN(I1NT /IS1) + SL Donde: SN

P nominal de transformador totalizador incluyendo su consumo

propio en VA. ST

Potencia parcial en VA.

I1NT

Corriente primaria nominal del transformador en A.

ISN1

Corriente suma nominal en el primario en A.



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS SL:

Pérdidas en las líneas que unen los transformadores parciales y

el totalizador. Aplicación N° 4.- Siendo Sn = 20 VA, hallar: ST1, ST2 y ST3 ST1 = (20) (400)/2000 = 4 VA ST2 = (20) (600)/2000 = 6 VA ST3 = (20) (1000)/2000 = 10 VA ST = 20 VA 10.3.- CÁLCULO DE LA CARGA Se denomina así a todas las cargas conectadas al devanado secundario, y son las que determinan la potencia activa y reactiva del secundario del transformador de corriente ó potencial. Se expresa en VA y Ω. Aplicación N° 5.- Calcular el burden para un TC alimentador por un cable de 4 mm2 THW de cobre con 15 m de longitud total. TC: ….. /5 A, 60 HZ RCU = ρL(L/A) = (0.0175)(15)/4 = 0.066 Ω RTOTAL = RCU + RWATTHORIM + RWAT + RAMP =0.066 + 0.013 + 0.023 + 0.055

TABLA N° 9.1.- CUADRO DE CARGAS DEL TRANSFORMADOR CARGAS

RESISTENCIA

INDUCTANCIA

Watthorimetro

0.013Ω

0.044mH

Vatímetro

0.013Ω

0.260mH

Amperímetro

0.055Ω

0.270mH



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS RTOTAL = 0.157 Ω P = RTI22 = 0.157 (5)2 P = RTI22 = 0.157(5)2 = 3.925 VAT Q = XTI22 LT = O.O44 + 0. 026 + 0.27 = 0.574 (10-3) Hy XT = 2πFLT = 216.4 (10-3) = 0.216 Ω Q = (0.216) (25) = 5.4 VARS S = (P2+Q2)1/2 = 6.684 L 54 VA Luego el burden es el siguiente: S = 6.684 VA

Factor de seguridad 1.15

Sn = 10 VA

ZT = 6.68/52 = 0.2672 Ω Aplicación N° 6.- Calcular el Burden del TC de 150/5 A, el mismo que tiene una resistencia secundaria de 0.15 Ω y cuya carga esta conformada por un relé >I de 5 VA (ver figura N° 9.1). Se conecta por medio de un cable THW de 4 mm² 50m de distancia. RCU = (2) (50) (0.0175)/4 = 0.4375 Ω STOTAL = SRS + SRCU + SR = (0.15) (25 ) + (0.4375) (25) + 5 = 3.75 + 10.94 + 5

Figura N° 9.1.- Circuito aplicativo de TC y Relé STDT = 19.69 VA MEDIDAS ELECTRICAS II


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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS RR = 5/25 = 0.2 Ω RT = RCU + RS + RR = 0.4375 + 0.15 + 0.2 RT = 0.7875 Ω Los burden son: S total = 19.69 VA

Sn = 1.15 x 19.69

Sn = 25 VA

R total = 0.7875 Ω 10.4.- CÁLCULO DE LOS TRASFORMADORES DE CORRIENTE Aplicación N° 7.- En la figura seleccionar los TCs y acompañar su hoja técnica sabiendo el cuadro de cargas de la tabla N° 9.2. Cálculo de TC1 del lado de 115 KV, Sn = 50 MVA. Revelador diferencial IS = 5 A ARC Cos 0.5 = 60° W = (3) (0.5) = 1.5 VATIOS Q = 3 sen60° = (3) (0.866) =2.6 VAR. Cable 4mm2 THW R = (0.0175)(50)/4 = 0.21875 Ω WC = RC x 52 = (0.2186) (25) = 5.465 VAT



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Figura N° 9.2.- Circuito aplicativo de TC y sus cargas TABLA 9.2.- CUADRO DE CARGAS DESCRIPCION

SIMBOLO

S

FP

Amperímetro

A

2VA

FP = 1

Relé Diferencial

87

3VA

FP = 0.5

Vatímetro

VAT

5VA

FP = 0.6

Vathorímetro

VATH

10VA

FP = 0.7

Varímetro

VAR

3VA

FP = 0.5

WTOTAL = WRD + WC = 6.965 VAT Q

total

= 2.6 VAR

S = 6.965+⌡2.6 = 7.435 L20.5 VA VA = IP

7.435 VA.

= 50MVA/√3 (115) = 251 A



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS IP = 300 A IS = 5 A RT = 300/5 = 60 Clase de precisión: 1.2 (ANSI)

SNOM = 10 VA

FP = 0.941

Cálculo de TC2 del lado de 13.8 KV. Sn = 50 MVA Cálculo TC2 lado : 13.8 KV I2 = 50MVA/√3 (13.8) = 2091 A WC = RC (5)2

= 5.465 Ω

WRD = 1.5 VAT VAR = 2.6 VAR PTOT =

6.925 VAT

IP = 2500 A

Q = 2.6 VARS

S = 7.435 L20.5° VA;

IS = 5 A SNOM = 10 VA

Clase de precisión:

RT = 500

1.2 (ANSI)

Cálculo de TC3 del lado de 13.8 KV. Sn = 25 MVA. IP = 25MVA/√3 (13.8) = 1045 A Cable: R = (0.0175)(90)/6 = 0.2625 Ω En el grafico debe ser 6 mm² WC = 0.2625 (5)2 = 6.5625 VAT Amperímetro: Ø = 0°,

WA = 2 (1) = 2 VAT , VAR= 2Sen 0 = 0

Vatímetro: Ø = 72.54°, WA, = 5 (0.3) = 1.5 VAT, VAR = 5 Sen 72.54° = 4.796 VAR Watt-Horímetro: Ø = 53.13°, WV = 5 (0.6) = 3 VAT VAR = 5Sen 53.13° = 4 VAR WTOT = 6.5625 + 1.5 + 7 + 3 + 2 = 20.1 VAT VAR = 0 + 4.796 + 7.14 + 4 = 15.936 VAR S = 20.1 + j 15.936 = 25.65 L38.4° VA



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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS TABLA N° 9.3.- RESULTADOS DE LA APLICACIÓN N° 7. TCs ITEM

PARAMETROS

TC1

TC2

TC3

7.44

7.44

25.65

01

Burden

02

SNOM

10

10

30

03

IP

300

2500

1200

04

IS

5

5

5

05

RT

60

500

240

06

Clase precisión

1.2 (ANSI)

1.2 (ANSI)

1.2 (ANSI)

07

Tensión

115 KV

13.8 KV

13.8 KV

08

Aislamiento (MΩ)

2200

2200

2200

09

Clase térmica

F

F

F

10

Tensión aislam.

3 KV

3 KV

3 KV

11

Tensión máxima

0.72 KV

0.72 KV

0.72 KV

12

Factor potencia

10.5.- CÁLCULO DE LOS TRASFORMADORES DE POTENCIAL Aplicación N° 8.- Seleccionar los TPs y acompañar su hoja técnica sa-biendo el cuadro de cargas de la tabla N° 9.3.

TABLA 9.4.- CUADRO DE CARGAS DESCRIPCION

SIMBOLO

S

FP

Voltímetro

V

3 VA

FP = 1.0

Frecuencímetro

F

3 VA

FP = 0.1

Vatímetro

W

5 VA

FP = 0.6

Vari metro

VAR

5 VA

FP = 0.3



34


Figura N° 9.3.- Circuito aplicativo de TPs y sus cargas Cálculo del TP del lado de 230 KV WC =

0.1313 (I2)2

V: FP = 1; Ø = 0°; WV = 3 (1) = 3 VAT; VAR = 3Sen 0°= 0 VAR W: FP = 0.6; Ø = 53.13°; WV = 5 (0.6) = 3 VAT VAR = 5Sen 53.13° = 4 VAR VAR : FP = 0.3 ; Ø = 72.54°; WVAR = 5 (0.3) = 1.5 VAT VAR = 5Sen 72.54° = 4.77 VAR WT = 3 +3+1.5 = 7.5 VAT; VART = 0+4+4.77 = 8.77 VAR S = 7.5 +j 8.77 = 11.54 L49.5 VA En el TP VS = 120 Voltios I2 = 15/√3 (120) = 0.072 A

FP = 0.651 SN = 15 VA

R cable = 0.0175 x 30 / 4 = 0.1312 Ω S cable = 0.1312 x 0.0722 = 6.8 x 10-4 = 0.00068 VAT depreciable. MEDIDAS ELECTRICAS II


35

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Cálculo del TP del lado de 69 KV V: WV = 3 VAT;

VAR = 0 VAR

W: WW = 3 VAT;

VAR = 4 VAR

F: FP = 0.1;

Ø = 84.26°;

WF = 3 (0.1) = 0.3 VAT

VAR = 3Sen 84.26° = 2.99 VAR WT = 3 +3+0.3 = 6.3 VAT; VAR = 0+4+2.99 = 6.99 VAR S = 6.3 +j 6.99 = 9.41 L49.97° VA

TABLA N° 9.5.- RESULTADOS DE LA APLICACIÓN N°8 TPs ITEM

PARAMETROS

TP1

TC2

11.54

9.41

15

10

01

Burden

02

SNOM

03

V1

230 KV

69 KV

04

V2

120 VOL

120 VOL

05

RT

1917

575

06

Clase precisión

1.2 (ANSI)

1.2 (ANSI)

07

Aislamiento (MΩ)

2200

2200

08

Clase térmica

F

F

09

Tensión aislam.

500 KV

150 KV

10

Tensión máxima

350 KV

75 KV

11

Factor potencia

0.65 I

0.64 I



36


13. - REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 1.- BELTON BILL, Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas, México: Ediciones Alfaomega – Marcombo 1995. 2.- CREDER HELIO Instalaciones eléctricas, Río de Janeiro – Brasil: Editorial ABDR. 1995 3.- ENRIQUE HARPER GILBERTO - Fundamentos de instalaciones eléctricas de mediana y alta tensión, México: Editorial LIMUSA – 2000 4.- GUNTER G. SEIP - Instalaciones eléctricas – Abastecimiento y distribución eléctrica Tomo I, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989. 5.- GUNTER G. SEIP - Instalaciones eléctricas – Abastecimiento y distribución eléctrica Tomo II, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989. 6.- GUNTER G. SEIP - Instalaciones eléctricas – Abastecimiento y distribución eléctrica Tomo III, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989. 7. - MATSCH, LEANDER W. Máquinas electromecánicas y electromagnéticas México, D.F: Alfaomega, 1990. 8.- MUN ONG, CHEE Dynamic simulation of electric machinery, New Jersey: Prentice Hall PTR, 1998 A continuación presento los boletines técnicos y manuales de operación normalizados de los siguientes fabricantes: 1.-

ABB

Manuales de operación.

2.-

Alston

Transmission & distribution – transformer medida.

3.-

Arteche

WWW.arteche .com

4.-

Laybolt

Manuales de instrumentación.

5.-

Lucas New


6.-

Siemens




37

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS NORMAS INTERNACIONALES El presente trabajo fue desarrollado gracias a la utilización de las siguientes normas internacionales: IEC 60364 Sobre los ECT. IEEE C57.110-1986 Dimensionamiento de los alimentadores. IEC 364 – 5 – 54 Sistemas de aterramiento. VDE 102 – Parte 1 - Cálculo de corto circuito. IEEE Red Book, IEEE Std. 141-1993, IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants IEC 076

Diseño, fabricación y pruebas.

IEC 354

Capacidades de sobrecarga.

IEC 296

Aceites y materiales aislantes.

IEC 44-1

Transformadores de intensidad.

IEC44-2

Transformadores de tensión.

IEC 185

Transformadores de intensidad.

IEC 186A

Transformadores de tensión.

VDE 0414

Transformadores de medida.

VDE 0111

Coordinación de aislamiento 1kv

ANSI C57-13 Transformadores de medida. VDE 171


Protegido contra explosiones áreas riesgosas.


38


14.-

ANEXOS

ANEXO A.- TABLAS NORMALIZADAS SIEMENS TABLA N° 14.1.- CONSUMO DE POTENCIA DE APARATOS DE MEDIDA VIA CORRIENTE Aparato

consumo (VA)

Amperímetro de hierro móvil. Amperímetro de cuadro móvil y rectificador. Amperímetro de bimetal. Vatímetro. Fasímetro. Registrador de intensidad. Registrador de potencia. Registrador de factor de potencia. Contador de corriente alterna. Contador de corriente trifásica. Transductor de medida. Sensor de medida. Norma VDE 530 Siemens

0.6 a 1.6 0.15 1.2 a 1.5 0.5 a 1.5 0.8 a 3 2 6 14 1.1 a 2.5 0.32 a 1.1 3 2

TABLA N° 14.2.- PÉRDIDAS EN LA LÍNEAS SL EN (VA) POR m. DE LÍNEA DE COBRE (LÍNEA DE IDA RETORNO) Secciones de la línea de cobre m²

1.5 2.5 4 6 10

SL en VA/m para I2N=1ª

I2N=2A

0.023 0.014 0.009 0.006 0.004

0.58 0.36 0.22 0.15 0.09

Norma VDE 530 Siemens



39


TABLA N° 14.3.- COMPARACIÓN DE LOS CAMPOS DE APLICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD CON CORRIENTES NOMINALES EN EL SECUNDARIO DE 1A Y 5A Potencia (VA VA

longitud m. simple máxima de la línea

sección (mm²)

2.5

178

2.5

2.5

7

2.5

5

14

2.5

10

28

2.5

15

43

2.5

30

85

2.5

1A

5A

60

171 Norma VDE 530 Siemens

2.5

TABLA N° 14.4.- COMPARACIÓN DE POTENCIAS PARA INTENSIDADES NOMINALES EN EL SECUNDARIO DE 1ª Y 5A

Longitud simple de la línea

3 m. medición local

60 m. medición central 1A 5A

Intensidad nominal en el secundario

1A

5A

Línea de medición 1 Amperímetro 1 Fasimetro 1 Contador

VA VA VA VA

0.04 0.2 0.8 1.4

1.07 0.3 3 1.4

0.9 0.2 0.8 1.4

21.4 0.3 3 1.4

Potencia total

VA

2.44

5.77

3.3

26.1

2.5

10

5

30

Potencia nominal elegida

VA

Norma VDE 530 Siemens



40


TABLA 14.5.- CONSUMO DE POTENCIA DE LOS APARATOS DE MEDIDA PARA CIRCUITOS VOLTIMÉTRICOS APARATOS Voltímetro de hierro móvil.

VA 0.9 a 4 1 1 2.5 a 5 1a3 1 3 12 13 2a4 4 5a7 2 2a5 1.5 2

Voltímetro de cuadrado móvil, rectificador. Vatímetro. Fasimetro. Frecuencímetro. Registrador de tensión. Registrador de potencia. Registrador de factor de potencia. Registrador de frecuencia. Contador de corriente alterna. Contador de corriente trifásica. Relojes. Conmutadores. Contadores totalizadores. Contadores de cómputo a distancia. Transductores de medida. Sensores. Norma VDE 530 Siemens ANEXO B.- ENSAYOS OFF LINE (IEEE)

MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) Constituye una medición precisa de la resistencia del aislamiento a masa de los bobinados. La prueba consiste en aplicar una tensión de CC (IEEE – 43 / 1991), y medir la corriente de pérdida luego de 60 segundos. La resistencia de aislamiento se calcula según la ley de OHM: IR = Tensión aplicada / corriente de fuga medida



41


TENSIONES DC PARA PRUEBA DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO IEEE - 43 NIVEL

TENSIÓN DEL ARROLLAMIENTO < 1000 VAC 1000 - 2500 VAC 2501 - 5000 VAC 5001 - 12000 VAC > 12000 VAC

1 2 3 4 5

TENSIÓN DE PRUEBA 500 VDC 500 - 1000 VDC 1000 - 2500 VDC 2500 - 5000 VDC 5000 - 10000 VDC

ÍNDICE DE POLARIZACIÓN (IP) IEEE – 43 Mide cuantitativamente la capacidad de polarización del aislamiento a masa. La prueba de IP se realiza comúnmente a la misma tensión que la prueba de MEGOHM y tarda 10 minutos en completarse. El Valor de IP se calcula como: IP = IR (10min) / IR (1min) En general los aislantes en buenas condiciones mostrarán un índice de polarización alto, mientras que los aislantes dañados no lo harán. IEEE - 43 recomienda valores mínimos para las distintas clases térmicas de aislamiento de motores: VALORES MÍNIMOS SEGÚN CLASE DE AISLAMIENTO CLASE TERMICA IP CLASE TERMICA IP NEMA CLASE A 1.5 NEMA CLASE F 2.0 NEMA CLASE B 2.0 NEMA CLASE H 2.0 ÍNDICE DE ABSORCIÓN (IA) IEEE – 43 Es una variante del índice de polarización. En algunos materiales como la mica, la corriente que absorben los materiales toma 10 minutos ó más para caer a cero. Pero en sistemas de aislamiento modernos la corriente de absorción puede caer a cero en 2 o 3 minutos. El Índice de absorción se calcula como: IA = IR (60seg) / IR (30seg)



42

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS NIVELES DE ÍNDICES DE ABSORCIÓN Y POLARIZACIÓN IEEE NIVEL ÍNDICE DE ÍNDICE DE ESTADO DE LA RESIST. ABSORCIÓN POLARIZACIÓN AISLAMIENTO D 0 - 1.0 0 - 1 PELIGROSO C 1.0 - 1.3 1 - 2 DEFICIENTE B 1.3 - 1.6 2 - 4 BUENO A 1.6 4 - SUPERIOR EXCELENTE SUPERIOR TENSIÓN APLICADA (IEEE 112 / 1978 ITEM 6.2) Demuestra que en el sistema de aislamiento a masa puede existir un voltaje aplicado alto sin exhibir una corriente de pérdida extraordinariamente alta. TENSIONES DE PRUEBA DE HIPOT RECOMENDADOS IEEE - 95, IEEE - 43, IEC 34.1 Y NEMA MG-1. TIPOS TENSIÓN DESCRIPCIÓN GENERAL VALORES DE LA PRUEBA DE LOS TENSIÓN APLICADA EQUIPOS VAC – PRUEBA Valor aproximado de tensión 2 x VAC alterna de prueba empleada MOMINAL(MÁQUINA) por el fabricante + 1.000 VOLT. VDC – PRUEBA INICIAL V DC – PRUEBA PERIÓDICA

Máxima tensión continua de prueba para la primera prueba (instalación de la máquina) Máxima tensión contínua de prueba para las verificaciones periódicas de la máquina

1,28 x VAC – PRUEBA VOLT. 0,96 x VAC – PRUEBA VOLT.

Expresiones para determinar la tensión de prueba del test de comprobación en máquinas eléctricas. TENSIÓN DE IMPULSO - IEC 34 -15 /1995 e IEEE - 522 /1992 Proporciona información acerca del Aislamiento entre espiras, y la capacidad del aislamiento a masa para soportar transitorios de frente de onda abrupto (como los que aparecen en servicio). Las razones para realizar la prueba de impulso es que diariamente los motores están sometidos a transitorios de alta tensión y/o energía. Estos impulsos pueden MEDIDAS ELECTRICAS II


43

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS dañar el aislamiento del motor, y en un tiempo pueden provocar una falla en el mismo.

ANEXO C El presente trabajo se ha desarrollado tomando como base la información proporcionada por los siguientes fabricantes: ABB, SIEMENS, Alston y Arteche. El marco de trabajo son los sistemas eléctricos de potencia vinculados con la medida y/o protección de: Las cargas, líneas de transmisión y fuentes de generación de energía eléctrica. Los transformadores de intensidad y potencial en media y alta tensión, cumplen una doble función:  Reducir la corriente (tensión) a medir a un valor suficientemente pequeño para poder ser aplicados a los aparatos de medida ó de protección, y con un potencial a masa de valor no peligroso para el aislamiento de los aparatos y para las personas.  Al reducir la corriente y tensión establecen una separación galvánica entre los circuitos de MT ó AT a controlar, y la corriente aplicada a los aparatos de medida ó protección. En consecuencia, en MT ó AT resultan imprescindibles los TI y TT sea cual sea el valor de la corriente ó tensión en MT ó AT a medir ó controlar. Dentro de las características de funcionamiento de los TI y TT se presentan:  En el lado de alta tensión (características primarías cualquier nivel de corriente y tensión adecuadamente diseñado).  En el lado de baja tensión se hallan las características secundarias de: corriente 1 ó 5 A y tensión 110 y 120 voltios. Las clases de precisión normalizados Clases: 0.1, 0.2 , 0.5. Clases: 1.2, 3 Clases: 5P , 10P

más estandarizados son los siguientes: Para facturación Para contaje. Para la protección.

El factor de seguridad FS garantiza cualquier valor de sobre corriente por el primario, siendo la intensidad secundaria inferior a los valores predeterminados por los equipos y aparatos de medida y protección. Normalmente: 2.5 < FS < 10. En los TI para protección (alimentación de relés), se denomina intensidad limite de precisión “ ILP” a la intensidad primaria, superior a lo nominal IPN, para la cual el TI se mantiene a una determinada precisión; ó sea no sobrepasa a un cierto margen de error.



44


Los transformadores de medida sirven para: •

Medir altas tensiones e intensidades con aparatos de bajo alcance.

•

Separar eléctricamente el circuito medido a los aparatos de medida, permitiendo la realización de medidas en alta tensión y corriente con aparatos de baja tensión y corriente.

•

Poder instalar aparatos de medida en lugares distintos a los del circuito medido.

•

Así evitamos las interferencias provocadas por los campos magnéticos externos en el trabajo de los aparatos de medida.

•

Se aumenta la seguridad del personal y permite la ubicación de los aparatos de medida en los lugares más convenientes. Los valores de las intensidades nominales del primario y secundario deben figurar en la placa de características del transformador y se expresan en forma de fracción: Intensidad primaria/Intensidad secundaria. (Por ejemplo, 200/5 A). Indica una intensidad nominal primaria de 200 A y una intensidad nominal secundaria de 5 A. La intensidad nominal secundaria está normalizada en 5 A para todos los transformadores. Sólo en aquellos casos en los que la distancia entre el transformador y el aparato de medida es muy grande se utilizan transformadores con intensidad nominal secundaria de 1 A. Los valores normalizados para las corrientes primarias son: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, 10000 A. Sobre la placa de características también se indica el valor de la tensión máxima isible en el circuito de medida. Otra característica a tener en cuenta en un transformador de corriente es su POTENCIA NOMINAL, que se define como la potencia aparente, expresada en Voltio - Amperios (VA), que el transformador proporciona al circuito secundario con la carga e intensidad nominales. La carga nominal, expresada en: Ohmios ó VA, es aquella para la cual se cumplen los errores máximos de la clase de precisión del transformador. Las potencias nominales normalizadas son: 5, 10, 15, 25, 30, 40, 50, 75 y 100 VA.



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