ensayo de un transformador de intensidad

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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
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TRABAJO PRACTICO N 7
ENSAYO DE UN TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD
Los Transformadores de medida (TM) vistos en teoría se utilizan para reducir los valores de
tensión e intensidad a fin de alimentar instrumentos de medida cuyos alcance son comunes, lo
que implica menor riesgo para el operario y menor costo. En este práctico nos ocuparemos
de los transformadores de Intensidad (TI).
Como sabemos, 1a particularidad esencial del transformador de corriente es que mientras su
secundario está cargado con una impedancia sensiblemente constante, su. primario permanece
en serie con 1a carga del circuito principal. Esto implica que para que el TI pueda hacer
circu1ar una corriente proporcional a la primaria por la impedancia secundaria, deberá, para
cada valor de aquella, ajustarse la tensión secundaria sobre la prestación en forma automática.
Vi
Zi
Zo
Vo
Mientras que el transformador de intensidad trabaje con una corriente no mayor de la nominal,
resultará: Zmag (Impedancia magnetizante) muy elevada, pues la corriente que deriva por la
rama de magnetización Imag es muy pequeña.
Pero si se produce un aumento de la corriente del sistema, traerá aparejado un aumento de la
tensión secundaria del transformador, la cual, en cada caso, será igual a la corriente
secundaria popr la impedancia secundaria, y por lo tanto un aumento de la corriente de
magnetización.
Los TI se usan para 2 servicios diferentes: medición y protección
MEDICION
En el secundario del. transformador está conectado los instrumentos amperométricos y
bobinas amperométricas de vatímetros cosfímetros varímetros que darán, a través de la
relación de transformación, la corriente de primario obteniendo valores de los parámetros
necesarios para el control. Interesa que todos los valores en condiciones normales a través del
TI se tengan en la medición. En condiciones de falla (cortocircuito) no debe reflejar corriente,
es decir debe saturarse porque se quemarían los instrumentos.
PROTECCION
En condiciones de falla (corto) necesitamos que las protecciones de líneas de trasmisión, de
generadores, de transformadores, etc. “vean” la falla y actúen sacando de servicio al elemento
protegido. En secundario del transformador deberá reflejar fielmente la corriente de
cortocircuito que esta pasando por el primario. Este secundario alimenta las bobinas de los
distintos relés que producen la señal de apertura del elemento protegido.
De las 2 utilidades que tiene el TI se deduce que para cada una de ellas habrá que cumplir
condiciones diferentes:
1) la prestación del TI, que se ha definido, como el conjunto de aparatos que puede
conectarse en serie en el secundario,, es menor que en el caso de medición que en el de
protección, ya que 1os instrumentos de medida consumen menos que los relés.
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2) La clase, que está dada por el error de módulo del transformador, es mayor en medición,
ya que los instrumentos deben dar valores lo más exactos posibles. Mientras que en
protección, los relés que son aparatos más burdos, no necesitan exactitud, sino valores
aproximados de corriente.
3) El coeficiente ”n” de saturación que indica hasta dónde 1a curva de saturación es lineal,
es mucho mayor en el de protección para que, aunque tenga 10 ó 20 veces la corriente
nominal en el primario, como ocurre en el caso de cortocircuito se reflejen
el secundario en forma proporciona1. Es decir, que el T I. de protección no debe
saturarse en el corto.
Entonces la chapa de un transforma6or de corriente para 1os dos servicios, dirá:
Potencia de Prestación
Clase
Coef, Saturación
Relac. Transformación
Tensión de Servicio
Medición
30VA
0.5
n=5
100 – 200 / 5 A
15 KV
Protección
60 VA
1
n = 10
100 – 200 / 5 A
15 KV
Normalmente, los TI vienen con dos o más núcleos es decir que cumplen con los dos tipos
de servicios, entonces la relación de transformación será 100 – 200 / 5 – 5 ó 600-300/1 -1
La relación de transformación también nos esta diciendo que el TI. tiene un primario
dividido en 2 secciones, que se podrán conectar en. serie para que nos dé 100/5 A ó en
paralelo 200/5 A
Las prestaciones normalizadas en [VA] de los TI para protección y medición son:
Medición: 5 - 10 - 30
Medición y Protección: 10 - 30 - 50
Protección: 50 - 100 - 300
Las clase es que se fabrican son:
Para Laboratorio: 0,1- 0,2 - 0,5
Para Protección: 1 – 1,5 – 3
En general las normas establecen corno corriente secundaria nominal de 5 A para baja y
media tensión (B. T y M. T) y 1 A para redes de A. T. (alta tensión). En este caso, debido al
espacio requerido para este tipo de instalaciones hace que las distancias entre los TI y los
tableros de equipos con ellos asociados, resulten muy grandes, por lo cual una corriente
secundaria menor de 1 A permite el uso de conductores pilotos de menor sección para una
prestación dada.
Cuando se expresa que un TI es de clase 0,5, por ejemplo, según norma IRAM 2025
significa que su error de módulo (o de relación) es de +/- 0,5 % y que en la medida de una
corriente eléctrica, el margen de error máximo que se comete por la conexión del TI es de +/0, 5 %.
Mas complejo es el concepto del ángulo de error, que tiene marcada influencia en la
determinación de la potencia eléctrica. Para disminuir en todo lo posible los errores en los TI
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para medición, es necesario disminuir I0 (corriente magnetizante), que es el origen de todos
ellos. Para esto es necesario emplear un hierro de buena calidad, es decir con una gran
permeabilidad (µ?8), juntas perfectas, inducciones bajas lejos del codo de saturación n < 5 y
sobre todo un gran número de espiras, pues., de esta manera siendo la fmm. F = N . I0..
tanto mas pequeño será I0 cuanto mayor sea N1 (espiras).
En conclusión, un buen transformador deberá tener gran cantidad de hierro de buena calidad
magnética y bastante cobre, en otras palabras, el problema es, de orden económico. Así
utilizando aleaciones especiales, se pueden construir TI con errores prácticamente
despreciables. De este tipo son las aleaciones de Fe-Ni (permalloy, Hypermit numetal con
grano orientado, que a baja inducción tienen una permeabilidad magnética. muy elevada en,
comparación a la de los mejores hierros al silicio usados anteriormente. Esto permite construir
TI, a igualdad de condiciones con núcleos que pesan 5 ó 6 veces menos que los TI análogos
construidos con núcleos de hierro de aleación clásica.
Aunque las normas fijan los valores, al sólo efecto de tener una idea de los errores que
pueden cometer en las mediciones los TI, diremos que los errores de módulo (o relación) son
del orden menor del 0,5 %. y el ángulo de error es de unos 20 minutos.
OBJETO DEL ENSAYO
1) Comprobar 1a. polaridad de las bobinas
2) Verificar la relación de transformación.
3) Relevar la curva de saturación
4) Verificar el coeficiente de saturación
1 Polaridad
La polaridad que vemos a verificar es la polaridad relativa de una. bobina con respecto a
otra, estando ambas bobinadas en el mismo núcleo, es decir recorridas por un mismo flujo,
como sucede en e1 transformador. Debemos definir dos bornes homólogos, uno primario y
uno secundario.
Cada bobina tiene su polaridad propia, pero si se adapta una polaridad para una de ellas la
polaridad de la otra queda automáticamente determina por 1a relación invariable que existe
entre dos arrollamientos y un flujo común.
Recordando el principio de funcionamiento del transformador cuando por el primario circula
una corriente I1 en ese mismo instante circulara por el secundario una corriente I2 desfasada
180°, como se ve en e1 diagrama vectoria1. Entonces podemos decir que:
“En un transformador dos bornes tienen 1a misma polaridad cuando se puentea
dichos bornes la corriente circula como si el transformador no existiese, hacia y
desde la carga”.
Es como si hubiésemos hecho una unión galvánica entre primario y secundario.
I1
Zo
ø
I2
Verificar la polaridad de un transformador es importante cuando se conectan aparatos de
medición de conexión vatimétrica (vatímetros cosfímetros, contadores de energía, etc. ) que
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poseen bornes polarizados que garantizan la deflexión correcta de la aguja de acuerdo al
sentido de la energía. Es decir que en la. medida de potencia y energía reviste importancia
conocer la polaridad. de transformadores de medida.
Ensayo
Primero debemos identificar los bornes del primario que corresponden a cada. una de las
bobinas que lo forman (en este caso dos) lo cual se realiza por medio de un tester. Una vez.
individualizados se conectan en serie por ejemplo, en cuyo caso estamos en la. relación
100/5-5.. Seguidamente se realiza el siguiente circuito:
Con una fuente de c.c. de baja tensión ( 2- 4 V) o una pi1a se conecta a1 primario, con la
polaridad conocida, el polo (+) al borne polarizado del transformador y por medio de un
pulsador se le darán pulsos de tensión. En e1 secundario, en los bornes de 5 A se colocará un
voltímetro de c.c, con su polo (+) en e1 borne polarizado. Si al pulsar el pulsador A, la aguja
de1 voltímetro tiende a desviarse positivamente, la polaridad esta correcta, caso contrario
será errónea. A1 soltar el pulsador la aguja del voltímetro tenderá a desviarse en sentido
contrario.
2) RELACION DE TRANSFORMACION
La relación de transformación está dada por:
corriente primaria
Xi
Is
corriente secundaria
El circuito a utilizar es:
El transformador de inyección nos sirve para alimentar el primario del transformador ensayado
T. I. con una corriente bien elevada, Es decir que el transformador de inyección tendrá un
primario de muchas espiras y corriente baja y un secundario de pocas espiras y corriente
grande. Está corriente la podemos medir a través de una pinza amperómetrica que no es mas
que un transformador de intensidad de relación 1000/1 A. Cuando en el miliamperímetro
conectado en la pinza leamos por ejemplo 25 mA
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25 mA x- 1000 (relación de Transf..de pinza) = 25 A que circula por el primario del T. I.
ensayado.
El amperímetro conectado en el secundario del TI ensayado nos dará la corriente secundaria
Is. Con este dato y el anterior podemos calcular la relación de transformación del T I, que
debemos comparar con el Ki que dice la chapa.
I (pinza)
Ip = Ipin .
Kp (A)
Is (A)
Ki = Ip /Is
ε% =
Ki (teor) − Ki
Ki (teor)
3 CURVA DE SATURACION
Las curves de magnetización para un T.I. de medición y protección se determinan en fábricas
y laboratorios mediante el siguiente circuito:
U
Up
Prot
Med
Um
Imag
El ensayo se hace con tensión variable en el secundario y con el primario del T.I. abierto. Se
toman lecturas de tensión e intensidad para ambos núcleos.
I (mA)
Um (V)
Up (V)
Como el T.I. está abierto por el lado del primario, es decir está en vacío; la corriente que
medimos es la magnetizante, o sea, la intensidad necesaria para magnetizar el núcleo.
Del gráfico se concluye:
1) Como vemos en la curva para el TI de protección, para valores pequeños de tensión, la
Imag. es pequeña y aumenta en forma. mas o menos proporcional para valores crecientes de
aquella. A partir de un cierto valor de la tensión secundaria (U2) llamada tensión de saturación
o de rodilla, que indicamos con Ur, un pequeño incremento de U2 es acompañado por un gran
incremento de Imag.
Entonces definiremos la Ur (tensión de rodilla.) como: ”el punto para el cual un
aumento del 10% de la tensión secundaria produce un 50% de incremento de la Imag.
2) La definición de la Ur también es válida para el núcleo de medición.
3) La tensión Ur(p) (protección), será mucho mayor que Ur(m) (medida), aproximadamente
4 a 6 veces.
4) LA corriente Imag, para el núcleo de medición, a igualdad de tensión será menor que en el
de protección. Esto brinda un mayor grado de exactitud, ya que el error en la medida lo
introduce la corriente de magnetización, como sabemos por teoría.
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5) Si la tensión UJ se eleva por encima de Ur(m) como sucede en un cortocircuito, la Imag
aumenta mucho, introduciendo errores notables. Pero es de hacer notar que la corriente de
corto no es vista por el núcleo de medición ya que se satura mucho antes.
6) La Imag no puede aumentar indefinidamente. Existe una corriente límite térmica que
diremos que es la corriente que soporta durante un segundo sin que sobrepase los 80°C (30
IN) sin que se deteriore la aislación. También existe una corriente límite dinámica que seré
aquella que soporte sin producir esfuerzos dinámicos que destruyan el transformador.
También se puede definir el factor de saturación como ”el numero de veces que la IN
(corriente nominal) que puede circular por el primario sin que el error de relación supere en
más de1 10% del correspondiente a su clase.
Ejemplo:
VERIFICACIÓN DEL COEFICIENTE DE SATURACIÓN
De acuerdo a lo visto tenemos:
n=
Ur[V ] ⋅ I [ A]
P[VA]
El coeficiente de saturación es igual al cociente de la tensión de rodilla por corriente nominal
sobre la potencia de prestación
Se debe verificar que:
n < 5 para núcleo de medición
n > 10 núcleo de protección