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Este documento describe los transformadores de medida utilizados en instalaciones eléctricas para medir corriente y tensión. Explica dónde se ubican los transformadores de medida en una red eléctrica, sus características principales y cómo varían según su función de medición o protección. También compara transformadores de medida tradicionales con la bobina de Rogowsky, un método alternativo para medir corriente.
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- 1. IE-09trm - TRANSFORMADORES DE MEDIDA EL PUNTO DE VISTA DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS Alfredo Rifaldi - Norberto I. Sirabonian 1 - INTRODUCCION Hacemos referencia a una instalación eléctrica, un nodo de la instalación, un centro de distribución o un centro de carga. El esquema unifilar de esta instalación nos muestra barras y derivaciones (o alimentadores). En el nodo convergen líneas, para maniobrar es necesario tener los aparatos destinados a ese fin interruptores, seccionadores. El operador de la red, debe conocer el estado de carga de los componentes, para decidir operaciones o controlar su estado. Los dispositivos automáticos deben disponer de magnitudes representativas del estado de la carga a fin de que produzcan sus acciones automáticas. Los dispositivos de protección que en cierta forma también son automatismo, requieren señales de corriente o tensión. No es posible manipular directamente las magnitudes presentes en la red, es necesario obtener magnitudes proporcionales que puedan ser enviadas a los instrumentos y dispositivos automáticos, y esto se hace para la corriente y la tensión con transformadores de medida que en sus secundarios entregan magnitudes proporcionales a las primarias. Analizaremos los transformadores de medida desde el punto de vista de las instalaciones eléctricas. UBICACION DE LOS DISPOSITIVOS DE MEDICION En la red realizamos mediciones de magnitudes de origen, corriente y tensión, y magnitudes derivadas, por ejemplo potencia, impedancia, etc. Se nos presenta la necesidad de medir en cada salida, en los acoples, en las entradas, y resultan ubicaciones de los dispositivos de medición, de los transformadores de medida. La figura 1 muestra los puntos en los cuales es conveniente disponer estos aparatos: - En las líneas de entrada y salida, corriente y tensión. - A ambos lados de un transformador medir corriente, en cambio del lado contrario a aquel desde el cual se alimenta normalmente el transformador, medir tensión, si el transformador tiene neutro, medir corriente de neutro. - En barras se mide tensión, es útil para conocer el estado antes de conectar cargas o cerrar paralelos.
- 2. - Cuando hay acoplamiento debe haber medición de corriente en el acople, y medición de tensión a ambos lados (en cada una de las barras, que podrían estar separadas). - Las mediciones de corriente de fases normalmente son trifasicas, la cantidad de transformadores de corriente necesarios es tres (sumando las tres corrientes se obtiene la homopolar, presente solo en circunstancias especiales), si el sistema no tiene neutro es posible tener indicaciones validas de la corriente de las tres fases con solo dos transformadores (normalmente la suma de las tres corrientes es nula). - La medición de la corriente homopolar por suma de las tres corrientes de fase se logra con error que puede ser importante, se prefiere entonces medir esta magnitud con un transformador de tipo toroidal que abraza todos los conductores de fase. - Las mediciones de tensión pueden hacerse en las tres fases, midiendo fase tierra, o bien en dos fases (conectando los transformadores en V) con transformadores que miden fase fase. En la primera modalidad de conexión se obtienen las tres tensiones simples (y componiéndolas se pueden obtener las tensiones compuestas y la homopolar), de la segunda solo las tensiones compuestas. - En ciertos casos, especialmente si la medida es solo para decidir paralelos es suficiente un solo transformador de tensión en cada lado. DEFINICIONES Transformador de medida esta destinado a alimentar instrumentos de medida (indicadores, registradores, integradores) relés o aparatos análogos. Transformadores de corriente en los cuales en condiciones de empleo definidas se tiene una corriente secundaria proporcional a la corriente primaria y desfasada (con sentido apropiado de las conexiones) de un ángulo próximo a cero. Transformadores de tensión, corresponde una definición análoga, la tensión secundaria es proporcional a la primaria. Relación de transformación se da como relación entre las magnitudes primarias y secundarias (según corresponda corrientes o tensiones). Varias características de los transformadores de medida son comunes a otros tipos de aparatos, tensión máxima de referencia de la aislacion, tensiones de ensayo, frecuencia nominal, aptitud para uso interior o intemperie, etc. CARACTERISTICAS PARTICULARES DE LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Estos se conectan en serie en el circuito, y deben ser capaces de soportar las sobrecorrientes que se presentan, y que dependen del diseño de la instalación eléctrica. Sobrecorrientes térmicas permanentes (del 20%), con las cuales no se deben superar ciertos limites de sobretemperatura, y se deben respetar condiciones de precisión. Corrientes de cortocircuito, corriente térmica y dinámica (del orden respectivamente de 80 y 200 veces la corriente nominal).
- 3. Los valores de 20%, 80 y 200 veces se han normalizado y son los que se presentan en instalaciones proyectadas con criterios normales, y a su vez son valores que es conveniente sirvan de limites cuando se proyectan instalaciones. Al proyectar una instalación eléctrica, es importante que parte del esfuerzo del proyectista se dedique a lograr proyectar una instalación normal que utiliza aparatos normales, también es importante que los aparatos que se instalan sean útiles durante toda la vida de la instalación, y no se hagan indispensables cambios de aparatos después de los primeros años de funcionamiento. Carga o prestación del transformador de corriente es la potencia (o impedancia) que el transformador debe tener en su circuito secundario, manteniéndose en su clase de precisión (error de relación y error de ángulo). La prestación debe ser adecuada a la carga que el transformador alimenta, en la carga se deben incluir los instrumentos, y los cables de conexión desde los transformadores a los instrumentos. Es importante responder a la pregunta de cual es la función del transformador, si este alimenta dispositivos de medición, son muy importantes sus características en estado permanente, en el campo de la corriente nominal. Si en cambio el transformador alimenta dispositivos de protección es importante su comportamiento transitorio, su comportamiento en el rango de sobrecorrientes que se presentan en fallas. Las normas han fijado el valor de sobrecorriente representativa de estas situaciones en 20 veces la corriente nominal. Cuando se presentan estas sobrecorrientes el transformador debe actuar en forma distinta según cual sea la función, puede ser interesante que el transformador se sature bajo efectos de la sobrecorriente, de manera de proteger los instrumentos que se encuentran alimentados por el, en este caso se falsea la medición, lógicamente esta característica es indesaeda si se alimentan protecciones. Surge entonces un concepto, un transformador de medición debe saturar cuando se presentan sobrecorrientes, y uno de protección en cambio debe reflejar correctamente la corriente, no saturarse con valores de varias veces la corriente nominal. En el estado actual de la técnica, todavia los transformadores son con núcleo magnético, y tienen características ligadas esencialmente a las características del hierro. El circuito equivalente del transformador de corriente es en esencia el mismo que se estudia para el transformador de potencia, pero debe notarse que el transformador de corriente trabaja con inducción variable (con la corriente que por el circula, en otras palabras la tensión entre bornes es variable). La precisión del transformador esta ligada a la menor corriente derivada por el brazo de excitación, cuando por el aumento de corriente se supera el codo de saturación la precisión cae, el transformador se satura. Si se varia la carga aumentándola, mas impedancia, se alcanzara la tensión de saturación con menor corriente, y viceversa.
- 4. Surgen entonces algunos conceptos muy importantes en la aplicación de los transformadores de corriente, si estos están destinados a la medición deben estar cargados lo justo, si están menos cargados que su prestación no saturaran en forma que se espera, si están mas cargados perderán precisión. Para un núcleo de protección en cambio si se carga menos se extenderá su campo de acción en el que la saturación no se nota. Las normas definen en consecuencia las características que tienen relación con estas condiciones de funcionamiento. Factor de seguridad para los núcleos de medida es la relación entre la corriente nominal de seguridad y la corriente nominal primaria. Corriente nominal de seguridad , es el valor de la corriente primaria (indicado por el fabricante) para el cual la corriente secundaria (multiplicada por la relación de transformación) es inferior en cierto porcentaje (10%) al valor eficaz de la corriente primaria. El transformador debe estar cargado con su prestación nominal. Esto mismo dicho en otras palabras es: con la corriente que corresponde al factor de seguridad el error debe ser suficientemente elevado. La pregunta natural es: cuanto es importante esta característica? Según que aparatos estén conectados al secundario del transformador de medición será mas o menos importante su saturación, y consiguiente limitación de la corriente, si los aparatos de medición son resistentes a elevadas sobrecargas (sobrecorrientes), o están realizados para soportarlas sin dañarse, esta característica no es importante en absoluto. Cuando en cambio debe cuidarse la integridad de los dispositivos de medición, y en particular delicados registradores de diseños mas bien antiguos, se hace indispensable lograr la correcta saturación del transformador de corriente. Con esta premisa se comprende que esta característica actualmente, con instrumental de medición moderno con gran capacidad de sobrecarga ha perdido importancia. Cuando se desean hacer mediciones de corrientes transitorias (por ejemplo inserciones de transformadores de potencia, o durante cortocircuitos) será importante que el error en el rango de corrientes elevadas no sea grande, y entonces no es correcto conectarse a un transformador de medición que se satura, y falsea la medida. Factor limite de precisión es el valor mas elevado de la corriente primaria a la cual el transformador debe satisfacer las prescripciones correspondientes al error compuesto. Las características eléctricas principales del transformador de corriente son: La relación de transformación, que debe elegirse entre valores normales. La prestación, potencia en VA que el aparato puede alimentar con su corriente nominal, y a la que se refieren otras características. Tensión nominal, aislacion. Sobrecorriente permanente.
- 5. Sobrecorriente térmica. Resistencia electrodinamica. Son interesantes ciertas características que están relacionadas con la forma constructiva o características de detalle del aparato. Puede ser necesario que el transformador tenga varias relaciones de transformación , esto puede lograrse por cambio de conexión en el primario, o por derivaciones adecuadas en el secundario, y la solución adoptada afecta la forma del arrollamiento y sus características de saturación. La forma de los transformadores puede ser con varias espiras primarias o de barra pasante, una sola espira primaria. Otras características tienen que ver con la saturación, el comportamiento magnético del transformador, sus corrientes limites de precisión. Al variar la carga del transformador varia su limite de precisión, o su punto de saturación. En la evaluación de la carga intervienen los cables y los instrumentos. Por su función los transformadores (sus núcleos) se clasifican en medición y protección. El primer análisis que debe hacerse es para que sirve la medición, si es útil para las mediciones en estado permanente, puede ser conveniente la saturación, al ocurrir una falla la elevada corriente de falla, será transferida al secundario limitada por los efectos de la saturación, y esto será conveniente, se reducirán las solicitaciones transitorias de los circuitos secundarios, se identifica entonces el factor de seguridad. Para la protección, la necesidad de hacer una buena medición en transitorio hace que sea en cambio útil la buena proporcionalidad de la magnitud, al menos durante el tiempo en que la protección lo requiere para garantizar su buena actuación . Se plantean problemas de la distancia, medición, influencia del cable en la prestación, instrumentos, carga de lastre. Problemas de la conexión residual, la variación de la carga del núcleo según sea la corriente con o sin componente homopolar. La selección de la corriente nominal, la influencia de la corriente de cortocircuito, unificación de valores, error de medición, influencia de la carga reducida. OBSERVACIONES RELATIVAS A LA CARGA DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Supongamos tres transformadores de corriente, la carga esta dada por los instrumentos conectados y el cable de conexión. Mientras las corrientes en las tres fases son iguales, no hay corriente de neutro, la carga esta dada por la longitud del cable y la impedancia de los instrumentos.
- 6. Si en cambio las corrientes son desequilibradas, en el caso extremo de tener corriente en una sola fase entonces habrá que considerar dos veces la longitud del cable (fase y neutro), y si hubiera instrumentos en conexión residual habrá que considerar el instrumento de fase y el de neutro. Estas observaciones tienen por objeto mostrar que la carga depende de las condiciones en que la medición se esta realizando, y en consecuencia en particular la saturación se puede presentar no siempre con el mismo valor de corriente. El circuito secundario de los transformadores debe estar puesto a tierra, esta es una condición de seguridad, y es conveniente que esta puesta a tierra se haga en un transformador o en un punto muy próximo a ellos. OTRAS SOLUCIONES - LA BOBINA DE ROGOWSKY Desde hace algunos años se esta difundiendo un principio de medición de la corriente, basado en una idea de Rogowsky que fue descripta en 1912. La integral del campo magnético en un camino cerrado que encierra una corriente es igual a la corriente. Sobre el camino cerrado se envuelve un solenoide, el flujo dentro de unas espiras y campo magnético están relacionados, la tensión inducida en la bobina ligada a la derivada del flujo en el tiempo, se relaciona también con mu0, el numero de espiras, el área, y la derivada de la corriente en el tiempo. La corriente es la integral en el tiempo de la tensión en la bobina, multiplicada por un coeficiente que depende de las características físicas de la bobina (numero de espiras, área). La bobina puede construirse sobre un soporte físico rígido, o flexible, e inclusive si su retorno se hace con el alambre llevado por su interior, se obtiene una bobina abierta, que puede abrazar el conductor en el cual se lleva la corriente. La bobina nos entrega entonces una señal de tensión que debe ser integrada obteniéndose la señal de corriente, el avance de la electrónica nos permite hoy disponer de circuitos integradores que se interponen entre este particular transformador de corriente toroidal, y los circuitos de relés de protección y otros instrumentos que utilizan la corriente para elaborar sus variables de observación. Siendo la bobina con núcleo de aire (o materiales no magnéticos) es lineal, y por tanto no presenta los fenómenos de saturación característicos de los transformadores de corriente con núcleos magnéticos. CARACTERISTICAS PARTICULARES DE LOS TRANSFORMADORES DE TENSION Estos se conectan en derivación, entre fases (en tensiones bajas y medias) o entre fase y tierra cualquiera sea la tensión. La conexión fase tierra es muy útil, ya que entrega tensiones que permiten reconstruir tanto las tensiones simples como las compuestas, mientras que las tensiones obtenidas de las conexiones fase fase no permiten reconstruir las tensiones fase tierra, y bajo circunstancias especiales (por ejemplo cuando se desea conocer el contenido armónico) es importante poder conocer las tensiones simples.
- 7. En ciertos casos se considera como mas económica la solución con dos transformadores conectados en V, aunque esto es cierto la economía no debe buscarse en diseños que generan posibles dificultades futuras de trabajo, es mas lógico que el esfuerzo económico se haga en otras direcciones (quizás cuestionándose si no es posible realizar menos puntos de medición, pero los que se hacen deben ofrecer solución a todo problema que pueda aparecer). Los transformadores de tensión funcionan prácticamente a tensión constante, a inducción constante, y no presentan efectos de saturación tan notables como los transformadores de corriente. La tensión nominal primaria coincide con la tensión nominal del sistema , o si conectados fase tierra será la tensión nominal del sistema sobre raíz de 3. La prestación del transformador no esta condicionada a la carga que efectivamente se alimentara. Debe observarse que en cambio la precisión de la medida puede ser afectada por los cables de conexión (sección y longitud) y la corriente que por ellos circula, cantidad de aparatos que alimentan. Es entonces conveniente separar los circuitos por sus funciones en un lugar próximo al núcleo. Como en la red se pueden presentar condiciones de sobretension en relación al estado del neutro de la red, y la presencia de fallas, el transformador debe soportar estas situaciones. Factor de tensión es la relación respecto de la tensión nominal primaria, del valor mas elevado de tensión con el cual se pretende que el transformador satisfaga prescripciones de calentamiento, y otras eventuales prescripciones. Esta característica esta asociada al tiempo de funcionamiento (limitado o no) y se selecciona teniendo en cuenta la forma de conexión del arrollamiento primario y la condición del neutro de la red. Para transformadores conectados fase fase esta factor es 1.2, para transformadores que se conectan fase tierra en redes con neutro aislado se requiere 1.9 por 8 horas, si la falla se elimina en tiempo breve en cambio 30 segundos. Relación de transformación. Prestación. Sobretensiones permanentes, fallas. Transformadores de tipo inductivo y capacitivo. Caída en los cables, error. Aprovechamiento para algún servicio auxiliar.