Pág. Tema: “Transformadores de Instrumento”. Facultad de

Tema:
“Transformadores de Instrumento”.
I. OBJETIVOS.
o
o
o
o
o
Facultad de Ingeniería.
Escuela de Eléctrica.
Asignatura “Protección y
Coordinación de
Sistemas de Potencia”.
Determinar la polaridad de los transformadores de corriente.
Utilizar el transformador de corriente como una fuente de corriente constante.
Establecer la corriente residual en los transformadores de corriente.
Conectar y utilizar transformadores de corriente en sistemas de 3 hilos, 4 hilos.
Determinar las características de un transformador de voltaje.
II. INTRODUCCIÓN.
Transformadores de Corriente.
Los transformadores de instrumentos tienen la tarea de convertir grandes valores de corriente y voltaje a
valores pequeños que son fácilmente aplicables para los propósitos de medición. Los relevadores de
sobrecorriente se conectan al elemento protegido a través de transductores primarios de corriente que,
proporcionan el aislamiento necesario entre los circuitos primarios y secundarios y suministran a los
relevadores señales reducidas de corriente o voltaje proporcionales a la corriente primaria.
Existen en la actualidad, distintos tipos de transductores primarios de corriente, entre los cuales están: los
electromecánicos que transforman corriente en corriente, los transductores que transforman corriente en
voltaje, transductores magnéticos que son sensores de campo magnético de los conductores de línea, los
opto eléctricos, en los que la corriente se convierte en señal lumínica y los denominados discretos la
información se transmite en forma discreta.
Los transformadores de corriente por su aplicación pueden subdividirse en transformadores de medición
y protección, no obstante los transformadores de corriente en ocasiones se diseñan para realizar ambas
funciones. Su corriente nominal por secundario puede ser de 1 ó 5 Amperios. Este último valor es el más
usado en la práctica.
Las cargas se conectan en serie en los transformadores de corriente, la cual es una diferencia sustancial
con los transformadores de potencial y de potencia.
Transformadores de Potencial.
Las mediciones de voltajes en sistemas con voltajes nominales arriba de 1000 Voltios, pueden realizarse
utilizando transformadores de voltaje. El tipo inducción del transformador es tan pequeño en construcción
con una exactitud de relación de transformación, que para todos los propósitos prácticos se operan en
condiciones sin carga.
La relación de transformación viene dada por la siguiente expresión, la cual se determina por el número
de vueltas de los devanados:
V1 N1
=
V2 N2
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La anotación de los terminales usados para transformadores de voltaje, es U-V para el devanado primario
y u-v para el devanado secundario. Ambos terminales están completamente aislados a tierra. Un solo
polo aislado de los transformadores esta etiquetado con X y el no aislado con U (Figura 2.1).
Figura 2.1: “Transformadores de potencial aterrizados”.
Los transformadores no se cortocircuitan, un cortocircuito en el secundario del transformador destruirá al
transformador. Para proteger el lado de alto voltaje se utilizan fusibles HV y también en el lado del
secundario se utilizan fusibles de acuerdo a capacidad.
Los transformadores de voltaje deben ser aterrizados en el secundario para protegerlo de altos voltajes
en caso de cortocircuitos entre el primario y secundario. Las conexiones a tierra deben ser seleccionadas
de acuerdo a la magnitud de una posible corriente de cortocircuito. En transformadores de un polo, el
terminal X debe ser aterrizado.
El voltaje de error de un transformador de voltaje es, el porcentaje de desviación del secundario
multiplicado por la relación de transformación del transformador. El error de voltaje se calcula como
positivo, si el valor actual del voltaje secundario excede el valor de referencia.
El voltaje de error de un transformador de voltaje esta dado por:
Fu = 100
U 2 K N - U1
U1
Donde:
Fu: error de voltaje en %.
U1: voltaje primario en voltios.
U2: voltaje secundario en voltios.
KN: relación de transformación nominal.
La clase de exactitud de los transformadores de voltaje para mediciones y aplicaciones de protección, se
identifica por un número que da el límite del porcentaje del error de voltaje del voltaje nominal.
La relación de transformación de cada transformador de voltaje se selecciona para que bajo condiciones
normales de operación (simetría), el voltaje producido en la conexión serie de los devanados auxiliares es
100 V / 3 = 33.3V, con un cambio de fase de 120º entre cada devanado. Bajo condiciones normales de
operación la suma de los tres voltajes es cero. El devanado secundario produce un voltaje de 100 V / 3
= 57.8 V.
La relación de transformación es:
U/
3 : 100 V / 3 : 100 V /
3.
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Polaridad del transformador.
La polaridad de un transformador es la característica que describe la dirección relativa de las
componentes de voltaje y corrientes de carga en los devanados del transformador. En casi todos los
transformadores hay alguna forma de marca, suministrado por el fabricante, para indicar estas
propiedades direccionales. Estas marcas se conocen como marcas de polaridad. Cuando existe duda de
las marcas de polaridad del transformador puede verificarse con una prueba sencilla, que solo requiere
mediciones de voltaje con el transformador sin carga. En esta prueba de polaridad, aplica el voltaje
nominal a un devanado, generalmente al que resulte más conveniente para la fuente de voltaje
disponible. Se establece una conexión eléctrica entre un terminal de un devanado y del otro. Por lo
general las terminales se conectan físicamente más próximas de cada devanado. Enseguida se mide el
voltaje entre las terminales restantes, una de cada devanado. Si este voltaje medido es mayor que el
voltaje de prueba de entrada, a la polaridad se le llama aditiva y si es menor, se le llama sustractiva.
Esta prueba se muestra en la siguiente Figura 2.2.
Figura 2.2: “Esquema para realizar la prueba de polaridad”.
Otro de los parámetros fundamentales de los transformadores de corriente es su relación nominal de
transformación dada por:
tc
=
I1 nom
I 2 nom
Su selección puede hacerse (como una primera aproximación) sobre la base de que la corriente máxima
esperada por el secundario en régimen normal sea menor que la corriente nominal del secundario. Es
necesario comprobar el comportamiento del transformador de corriente en régimen de cortocircuito para
determinar si en esas condiciones los errores no son excesivamente grandes, de modo que no afecten el
esquema de protección.
Las normas establecen dos tipos de errores:
El error de transformación de corriente (Eti).
El error angular de corriente (EA1).
Eti =
EA1 =
tc
I 2 - I1
*100
I1
(
tc
I 2 − I1 ) dt
ntcI2 – I1: es la diferencia angular entre el fasor de corriente real secundaria referida al primario y la
corriente nominal primaria.
ntc: relación de transformación.
I1: corriente primaria.
I2: corriente secundaria.
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La corriente residual.
En un sistema de tres hilos, la suma de corrientes es cero, en un sistema de cuatro hilos, usando este
método, la corriente en el cuarto (en el neutro o una corriente de falla a neutro) puede ser medida.
Para cálculos en cargas asimétricas o fallas en una fuente trifásica, se usa un método con componentes
simétricas en sistemas de cuatro alambres, ocurre un sistema de secuencia de fase cero, esta corriente
de secuencia de fase cero, es:
1
Io = ( I 1 + I 2 + I 3 )
3
Puede también ser determinada con una medición de suma de corrientes, como lo muestra
esquemáticamente la Figura 2.3.
Figura 2.3.
III. MATERIALES Y EQUIPO.
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Cantidad
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
Descripción
Current Transformer Set SO 3213 – 1L
Carga resistiva SE 2666 – 9N (o SE 2666 – 9P)
Set de transformador de voltaje trifásico SO 2663 – 8W
Transformador de voltaje Standard SO 2663 – 8X
Cut Out Switch 4 pole SO 3213 – 1W
Movin Iron Anmeter 1 / 5A SO 3212 – 7U
RMS – METER SO 5127 – 1L
Fuente trifásica AC variable ST 7007 – 4M
Capacitor SO 3538 – 9S
Resistencias de 5 Ohmios
Osciloscopio
Starter SO 3213 – 6B
Tabla 2.1: “Materiales y equipo”.
IV. PROCEDIMIENTO.
Parte I: “ Prueba de polaridad” .
Paso 1. Determinar la polaridad del set de transformadores de corriente, realizando la conexión eléctrica
que se presenta en la Figura 2.4.
Figura 2.4: “Prueba de polaridad”.
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Paso 2. ¿Qué tipo de polaridad presenta: _______________.
Paso 3. Explique el por qué de la respuesta anterior:
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
Parte II: “ Prueba de polaridad: Golpe inductivo” .
Paso 1. Arme el circuito de la Figura 2.5.
Figura 2.5: “Prueba de polaridad con corriente continua”.
Paso 2. Con la fuente de corriente continua variable coloque a la salida un capacitor DC que soporte el
voltaje de alimentación. Tenga el cuidado que la fuente de alimentación esté ajustado a cero.
Paso 3. Ajuste el medidor en la escala de corriente medir la corriente en el devanado primario del
transformador de prueba.
Paso 4. Ajuste la salida de la fuente de alimentación hasta obtener una corriente máxima de 1 Amperio
en el amperímetro conectado en el devanado primario.
Paso 5. En forma alterna abra y cierre SW y anote la polaridad del pulso medido en el medidor analógico
cuando SW se cierra.
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
Parte III: “ Curva característica del transformador de corriente estándar” .
Paso 1. Ensamble el circuito de la Figura 2.6.
Figura 2.6: “Circuito para verificar la corriente de un transformador de corriente estándar”.
Paso 2. Ajuste la corriente del primario I1, por medio del voltaje de la fuente variable y con la carga
resistiva.
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Paso 3. Mida I2 en función de I1 y llene los datos en la Tabla 2.2:
I1 ( A )
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
2.0
I2 ( A )
Tabla 2.2.
Parte IV: “ Transformadores de corriente en un circuito trifilar – sistema trifásico” .
En un sistema trifilar IL1 + IL2 + IL3 = 0, lo que implica que IL1 = - ( IL2 + IL3 ). Cuando dos corrientes se
conocen, la tercera puede calcularse. Sólo dos transformadores de corrientes se requieren.
Paso 1. Ensamble el circuito de la Figura 2.7.
Figura 2.7: “Dos transformadores de corriente en un sistema trifásico”.
Paso 2. Con la fuente variable, coloque la corriente I1 e I2 en 0.3 Amperios. Mida I3.
I1 = I2 = 0.3 Amperios.
I3 = __________ Amperios.
Paso 3. Sin cambiar el voltaje de la fuente variable, corte la fase de la línea una después de la otra y mida
la corriente I1, I2 e I3.
Fases
I1(A)
L1 Abierto
0
I2(A)
L2 Abierto
I3(A)
0
L3 Abierto
0
Tabla 2.3.
Parte V: “ Transformadores de corriente en sistema de 4 hilos” .
Paso 1. Construir el circuito que se muestra en la Figura 2.8 y ajustar el transformador variable para que
I1 = 0.3 Amperios.
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Figura 2.8: “Transformadores de corriente en sistema de cuatro hilos”.
Paso 2. Medir las corrientes I1, I2 e I3:
I 1 = __________ Amperios.
I 2 = __________ Amperios.
I 3 = __________ Amperios.
Paso 3. Cambiar el punto neutro de los transformadores de corriente como se muestra en la Figura 2.9 y
mantener I1 en 0.3 Amperios.
Figura 2.9: “Transformadores de corriente en sistema de cuatro hilos para un punto neutro diferente”.
Paso 4. Medir las siguientes corrientes:
I 1 = __________ Amperios.
I 2 = __________ Amperios.
I 3 = __________ Amperios.
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Paso 5. ¿Qué sucede?.
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
Parte VI: “ Medición en un sistema principal de tres alambres” .
Paso 1. Construya el circuito de la Figura 2.10, observe bien el diagrama y note que el neutro no se
conecta.
Figura 2.10: “Circuito para establecer la corriente residual”.
Paso 2. Colocar RV a 0 .
Paso 3. Lentamente incremente el voltaje en la fuente de alimentación hasta IL1 = 1.5 Amperios.
Paso 4. Mida el valor de I 2.
I 2 = __________ Amperios.
Paso 5. Varíe RV desde 0
hasta 8
y observe el amperímetro para I 2.
I 2 = __________ Amperios.
Parte VII: “ Medición de un sistema de cuatro alambres” .
Paso 1. Conecte la cuarta línea (línea neutro) en la Figura 2.10, coloque RV a 0
e IL1 a 1.5 Amperios.
Paso 2. Mida el valor de I 2.
I 2 = __________ Amperios.
Paso 3. Coloque RV en 8
e IL1 en 0.3 Amperios.
I 2 = __________ Amperios.
Paso 4. Con los datos tomados en la Parte VI y VII, calcule la corriente de secuencia cero:
1
Io = ( I 1 + I 2 + I 3 )
3
Io = _______________ Amperios.
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Parte VIII: “ Características U 2 = F ( U 1 ) Y U 1 = F ( I 1 )” .
Paso 1. Construya el circuito de la Figura 2.11.
Figura 2.11: “Conexión de transformador para verificar características normales”.
Paso 2. De los valores U1 dados en la Tabla 2.4, mida el voltaje secundario U2 y U2N, así como también
la corriente del primario I1.
U 1 (V)
40
80
120
160
200
210
U 1N (V)
U 2 (V)
U 2N (V)
I 1 (mA)
Tabla 2.4: “Características estándar de los transformadores de potencial”.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
De los resultados obtenidos en la Parte I, dibuje el transformador con su punto de polaridad.
De los resultados obtenidos en la Parte II, dibuje el transformador con su punto de polaridad.
Con papel milimétrico dibujar la curva característica el transformador de corriente de la Parte III.
Grafique U 2 = f ( U1 ), U 2N = f ( U 1N ) y U 1N = f ( U 1 ) de la Parte VIII.
Presente todos los cálculos hechos con los datos de la prueba.
Dibuje el circuito equivalente de cada transformador.
Calcule la relación de transformación para los transformadores usados.
VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA.
1) Con respecto a los transformadores, ¿Qué otra prueba de polaridad conoce, descríbala y utilice
esquemas en su explicación?.
2) ¿Qué tipos de transformadores de corriente existen en el mercado?.
3) Existe alguna diferencia entre transformadores de instrumentos y transformadores de corriente.
4) Que sucedería si a un TC´s se le coloca un fusible de protección a la salida del secundario, es
correcto hacerlo, explique.
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1
5) Como se representa simbólicamente en las diferentes normas eléctricas los transformadores de
potencial y los transformadores de corriente.
6) ¿Cuáles son las precauciones que se deben de tener al conectar y manipular los TC's en un
circuito energizado?.
7) ¿Qué tan importante es conocer las polaridades de los transformadores?.
VII. BIBLIOGRAFÍA.
C.R. Paul, Nasar S. A., Unnewerh L.E. “Introducción a la Ingeniería Eléctrica”.
Carlson A. Bruce, Gisser David G. “Electrical Engineering Concepts and Applications”. AddisonWesley Publishing Company.
IEEE “Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial
Power Systems”. Buff Book Standard.1994.
1
Investigar al menos tres diferentes normas.
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