Transformadores
de tensión e intensidad
Acoplamiento de transformadores de tensión
Los
transformadores de tensión se montan en paralelo con la línea y en lo que se
refiere al número y sistema de acoplamiento, tendremos en cuenta los siguientes
aspectos:
a) Cuando se trata de un solo transformador, la polaridad de los bornes de
conexión no tiene importancia. La conexión que más se emplea es la de
fase-tierra el borne P1 va siempre conectado a la línea (Fig. 1).
En relés, la
práctica habitual es medir la tensión primaria y la secundaria en tensiones de
línea a línea. En otras palabras la tensión de fase a fase en el secundario es
generalmente 110 V. Cuando los relés son de tensión de fase a tierra, sus
bobinas tienen una tensión nominal secundaria de:
Figura 1: Conexión de un transformador
monofásico fase - tierra
b) Para las protecciones direccionales contra cortocircuitos entre fases y
para la medida de energía o potencia activa y reactiva, basta por lo general,
con dos transformadores de tensión conectados en V. En estos casos, es
preciso respetar las polaridades de los transformadores (fig. 2).
Esta
conexión es de escasa aplicación en centros de transformación y subestaciones
eléctricas.
Figura 2: Conexión
en V de dos transformadores de tensión
c) Para la medida y protección en una red trifásica como la de un centro de
transformación ó subestación, se utilizan tres transformadores monofásicos,
conectados normalmente en estrella (fig. 3).
d) Para las
protecciones contra defectos a tierra, se exige generalmente tres
transformadores de tensión, con los devanados de A.T. conectados en estrella y
los devanados de B.T. conectados en triángulo abierto. Esto nos permite medir
la tensión entre neutro y tierra (Fig. 4).
e) Es práctica
habitual utilizar además de los devanados de B.T. para la medida y protección,
un devanado de las mismas características para conectarlo en triángulo abierto
con los de las otras fases, para proteger los transformadores de los fenómenos
de resonancia provocados por oscilaciones de tensión ajenos a los mismos, una
puesta a tierra accidental de un conductor, etc. Este triángulo cierra sobre
una resistencia que absorbe la energía acumulada en los transformadores (Fig. 4
y 5).
NOTA:
Cuando sea
necesario sustituir un transformador, se debe comprobar y dejar constancia por
escrito de donde y como estaban conectados los bornes y cables.
Figura 3: Conexión de tres transformadores monofásicos,
conectados en estrella.
Figura 4: Conexión de tres transformadores
con primario en estrella y secundario
en triángulo abierto.
Figura 5: Conexión de transformadores con dos secundarios.
Marcado de
las placas de características.
Según la
norma UNE 21088, deben consignarse los siguientes datos:
· El nombre del fabricante o una
indicación que permita fácilmente su identificación.
· El número de serie cuyas primeras cifras corresponderán a las dos
últimas del año de fabricación.
· El tipo de aparato.
· Las tensiones nominales
primarias y secundarias.
· La frecuencia nominal.
· Las potencias de precisión, las
clases de precisión y la designación de los bornes correspondientes a cada
arrollamiento.
· La tensión nominal de
aislamiento y separada por un trazo oblicuo la tensión de ensayo a frecuencia
industrial.
· El símbolo del factor de
tensión, si es necesario, grabado a continuación de la tensión primaria o
secundaria nominal.
Pruebas
funcionales
· LIMITACIONES Y PRECAUCIONES
- El transformador debe estar desconectado.
- Se pondrá a tierra el equipo
cuando sea necesario, siendo controladas las puestas a tierra por una sola persona.
- Se seguirán procedimientos de
seguridad para dejar el equipo fuera de servicio.
- Bajo ninguna circunstancia debe
cerrarse el circuito secundario, como no sea a través de una gran resistencia.
· RESISTENCIA DE AISLAMIENTO
Utilizar un
equipo de medida de resistencia de aislamiento de 1.000 V c.c. en
transformadores de B.T. y 5.000 V c.c. en los de M.T., para comprobar el
aislamiento de:
- Alta (P1) contra baja (S1).
- Alta (P1) contra tierra (*)
- Baja (S1) contra tierra. (*)
(*) Esta prueba no tiene razón de
ser cuando el transformador de tensión (TT) sea para conexión fase a tierra.
Figura
6:
Ejemplo de la prueba de aislamiento de A.T. contra tierra
La
resistencia de aislamiento mínima será de 1,5 MΩ por cada kV. o fracción de la tensión
nominal.
· PRUEBA DE POLARIDAD
Es
importante hacer una llamada de atención referente a esta prueba.
Por razones
de seguridad la tensión de C.A. utilizada para esta prueba se conectará siempre
al devanado de A.T. del transformador objeto de la prueba.
No debemos
olvidar que los transformadores de tensión son reversibles, esto quiere decir,
que si alimentamos el secundario, (Bornes S1 – S2) a una tensión discreta, en
los bornes de A. T. (P1 – P2) obtendremos el valor de la misma multiplicado por
la relación de transformación. (Ver ejemplo en la figura siguiente).
Por ello,
debemos precisar, que al hacer el acopio de voltímetros, debemos pensar con que
tensiones vamos a trabajar para poder elegir los voltímetros con el rango de
escala apropiado para cada caso.
La polaridad o correspondencia de
bornes en un transformador de tensión, se determina teniendo presente que una
de sus características es que el ángulo de desfase entre la tensión primaria V1
y secundaria V2, es aproximadamente 0º para un sentido apropiado de la
corriente.
Figura 7: Conexión incorrecta de un transformador de tensión
para prueba de polaridad y relación de transformación
¡Peligro en terminales P1 y P2: 4.535 V!
Figura 8: Designación de bornes de los transformadores
de tensión
Figura 9: Relación de tensiones en un transformador de
tensión
Por lo
tanto para realizar la prueba de polaridad en un transformador de tensión,
bastará con alimentar el devanado P1-P2 con una tensión alterna después de
realizar las conexiones, tal como se indica en la figura 10.
Figura
10:
Esquema de conexiones para la prueba
Cuando la tensión
media en V3 sea la suma de V1 + V2 nos indicará que la polaridad es correcta.
V3 = V1 + V2 Polaridad correcta.
Cuando en
vez de la suma, la tensión medida en V3 sea igual a la diferencia de V1 – V2
nos indicará que la polaridad es incorrecta.
V3 = V1 – V2 Polaridad incorrecta.
· RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN
Para llevar
a cabo esta prueba, se tendrá en cuenta la llamada de atención realizada para
la prueba de polaridad.
- Conectar el transformador según
el esquema de conexiones de la figura 11, en este caso se trata de un
transformador de tensión de B.T.
- Comprobar que el variador de
tensión está desconectado y en la posición inicial (0), observar que su
indicación en V1 es cero voltios.
- Calcular la relación de
transformación nominal del transformador.
- Calcular en función de la tensión
disponible para la prueba y la relación de transformación nominal, distintos
valores de tensión y anotarlos de menor a mayor en las casillas que hacen
referencia a la tensión primaria P1 – P2.
Figura 11: Esquema de conexión de un TT de BT. Prueba de relación.
- Comprobar la relación de
transformación real en cada caso, empezando con el valor de tensión más bajo
que mediremos con V1 y con V2 la tensión de respuesta.
Acoplamiento
de transformadores de intensidad
Los
transformadores de intensidad se conectan en serie con la línea, en cuanto al
número y sistema de acoplamiento de éstos, se puede tener presente todo lo
dicho para los transformadores de tensión.
Es práctica
habitual emplear T.i. con dos secundarios, uno para medida y otro para
protección. A continuación se expone algunos de los métodos de instalación más
empleados:
A.- Las
protecciones contra cortocircuitos entre fases necesitan generalmente transformadores
de intensidad sobre dos fases (Figura 12).
Figura 12: Conexión de dos TI a tres hilos
Los
transformadores de intensidad se instalan con los bornes P1 mirando a las
barras de la Subestación Eléctrica. Es importante no pasar por alto este
detalle, por si nos vemos en la necesidad de sustituirlos en algún momento.
B.- Las
protecciones contra defectos a tierra, necesitan siempre tres transformadores
de intensidad sobre las tres fases, con los secundarios conectados en estrella
(Figura 13).
Esta
disposición, dos de tres transformadores de intensidad es típica en posiciones
con tensiones de servicio igual o superior a 45 kV.
Figura 13: Instalación de tres TI con los secundarios
conectados en estrella.
C.- Otra
posibilidad de conexión de los devanados secundarios es la conexión triángulo y
se suele aplicar en las posiciones de transformadores de potencia cuando la
protección diferencial del mismo así lo requiere. Ver en la Figura 14,
las dos posibilidades que tiene esta conexión.
Cuando se
unen TI conectados en triángulo no se debe pasar por alto el factor raíz de 3.
Figura 14: Conexiones
de TI en triángulo
Marcado de
las placas de características
Los
transformadores de intensidad deben llevar, como mínimo, las indicaciones
siguientes:
· El nombre del fabricante o una
indicación que permita fácilmente su identificación.
· El número de serie y la
designación del tipo
· Las intensidades nominales
primarias y secundaria (por ejemplo, 100/5 A)
· Las tensiones nominales
primarias y secundarias.
· La frecuencia nominal.
· La potencia de precisión y la
clase de precisión correspondiente (por ejemplo, 30 VA. Clase 0,5).
· El nivel de aislamiento nominal
(por ejemplo, 50/125 kV).
Pruebas
funcionales
El objeto de
las pruebas que se exponen en este apartado es el siguiente:
1.-
Determinar la resistencia de aislamiento del transformador de intensidad.
2.-
Determinar que la polaridad es correcta.
3.-
Determinar la relación de espiras.
4.- Obtener
la curva de saturación de la excitación para determinar la tensión máxima en el
secundario.
5.- Las
pruebas se realizan en todos los secundarios del T.i.-
En el anexo
se adjunta la gama de pruebas del T. I. para realizar estas experiencias. El
equipo que se utiliza consta de un inyector de intensidad, un variador de
tensión, dos amperímetros, dos multímetros, una pila de petaca y un megóhmetro
de 500 V.
· LIMITACIONES Y PRECAUCIONES
- Asegurar que el circuito
secundario del transformador de intensidad no está abierto a la vez que energizado.
- El transformador deberá estar
correctamente terminado o cortocircuitado antes de la energización del circuito
primario.
- Se tendrá especial cuidado y
precaución cuando se apliquen corrientes al primario o tensiones al secundario.
Aislar todos los restantes circuitos de transformadores de intensidad que estén
interconectados con el transformador o transformadores bajo prueba. Aislar los
relés de protección y dispositivos de medida cuando sea necesario, por ejemplo,
los relés diferenciales.
· PRUEBA DE AISLAMIENTO
Utilizar un probador de
resistencia de aislamiento para medir el aislamiento del TI Se aplicaran 500 V
entre el devanado secundario y tierra y entre primario y secundario en los de
B.T. La resistencia de aislamiento no suele ser menor de 5 MW, (mínimas: 8 MW para transformadores cuyo nivel
corresponde a media tensión y 2 MW para baja tensión).
En los
transformadores de M.T. se mide el aislamiento entre el primario y el
secundario con tensión de 5.000 V.
Figura 15: Prueba del aislamiento de un TI
· PRUEBA DE LA POLARIDAD
Debemos tener en cuenta la designación
de los bornes de los TI que según la norma UNE 21.088 son los siguientes:
Figura 16: Marcado de los bornes de los TI
Las marcas
P1, P2, C1 y C2 designan los bornes de arrollamiento primario y las marcas S1,
S2, etc., designan los bornes del arrollamiento secundario.
En cuanto a la polaridad los
bornes con las marcas P1, S1, C1 deben ser de la misma polaridad.
Figura 17: Sentido instantáneo de la corriente en un TI
Una corriente alterna sabemos que
continuamente cambia de polaridad, se puede preguntar cuál es el significado de
las marcas de polaridad. Su significado está en que muestra la dirección del flujo
de la corriente relativo a otra corriente o a una tensión y que también ayuda a
realizar las conexiones apropiadas.
Figura 18: Prueba de polaridad instantánea de un TI
Si los TI no
estuvieran interconectados, o si la corriente de un TI no tuviese que cooperar
con la corriente de otro TI o con una tensión de una fuente de tensión para
producir algún resultado deseado, tal como un vatímetro, no habría necesidad de
las marcas de polaridad.
La prueba de
polaridad instantánea de un TI se realiza por medio de una fuente de potencia
de corriente continua (por ejemplo una pila de petaca, Figura 19) y un
voltímetro de corriente continua.
Figura 19: Representación de la prueba de polaridad.
El procedimiento sería el siguiente:
a) Conectar el
voltímetro en el secundario del TI, la polaridad + en el borne S1 y en el S2 la
polaridad -.
b) Conectar el negativo de la
pila al borne P2 y con el
borne + tocar intermitentemente al borne P1, comprobando que la aguja del
voltímetro se desplaza hacia la derecha, cada vez que tocamos P1.
El resultado
de la prueba de polaridad es correcto cuando el desplazamiento de la aguja es
hacia la derecha en caso contrario, si la aguja se desplaza hacia la izquierda,
existe la posibilidad de error en los bornes o en las conexiones.
· DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN
Para determinar la relación de
espiras del TI, alimentaremos por el primario y tomaremos lecturas de la
corriente primaria y secundaria, con el secundario cortocircuitado a través del
amperímetro.
Figura 20: Esquema de conexión de la prueba de
relación.
Procedimiento:
- Si el TI dispone de varios
secundarios, cortocircuitar los que no sean objeto de la prueba.
- Realizar las conexiones de la Figura
20
- Comprobar que los equipos están
en posición de parada o desconectados.
- Calcular la relación de
transformación nominal del TI
- Para la prueba de inyección de
intensidad se debe calcular un mínimo de cinco valores, por ejemplo el 100%,
200%, 300%, 400% y 500% del valor de la relación nominal.
Si la
relación nominal del TI es:
Obtendremos
unas intensidades de inyección de corriente en el primario de: 100, 200, 300,
400 y 500 A.
- Registrar en la gama de pruebas
las lecturas obtenidas en el secundario, amperímetro (A2), para cada valor de
intensidad inyectada en el primario (Figura 26)
- Con los valores obtenidos se
puede calcular la relación real del TI
· PRUEBA DE SATURACIÓN
Los
transformador4es de intensidad deben asegurar la protección conservando una
precisión suficiente para las intensidades que alcancen valores varias veces
superiores a la intensidad nominal.
En los
transformadores de medida el error es pequeño para las corrientes nominales,
pero a niveles de corriente elevada, como ocurre en un cortocircuito los
errores de relación les hace generalmente inservibles para fines de protección.
Los
transformadores de intensidad destinados indistintamente para la medida y la
protección, deberán cumplir todas las condiciones especificadas en cada caso.
Figura 21: TI para medida y protección.
Por las
razones expuestas, en los TI de protección es importante determinar el FACTOR
DE PRECISION que se define como la relación entre la intensidad límite de
precisión nominal Ilp y la intensidad primaria nominal lpn
Los valores
normales de los factores límite de precisión son: 5 – 10 – 15 – 20 – 30
La clase de
precisión en un TI para protección se designa por un número (índice de clase) y
la letra P (inicial de protección).
Las clases
de protección normales de los TI de protección son: 5P y 10P
En la placa
de características viene indicada la clase de precisión seguida del factor
límite de seguridad y a continuación de la potencia de precisión:
30 VA clase 5P20
la cual nos
indica un error del 5% a 20 veces la intensidad primaria nominal Ipn
alimentando una carga de 30 VA.
Puede darse el caso de que sea
preciso comprobar la respuesta del transformador de intensidad al nivel de
corriente máxima de cortocircuito prevista para determinar la respuesta del
relé de protección en tales circunstancias.
Figura 22: Esquema de la prueba para determinar la
intensidad de excitación.
Esta
comprobación se puede realizar siguiendo un método que consiste en determinar
la corriente que circula por el secundario (intensidad de excitación del TI) en
función de la tensión aplicada en sus bornes estando el primario a circuito
abierto, Figura 22.
Con los pares de valores tensión
(V) corriente (I) confeccionamos la curva de magnetización en un sistema de
coordenadas.
Figura 23: Curva característica de la excitación
secundaria de un TI
En abscisas
se indican las intensidades de excitación y en ordenadas los voltios en bornes
del devanado secundario.
A partir de
los datos de la curva es ahora factible calcular el error de relación del TI
para una determinada condición, aplicando la siguiente fórmula:
En la
cual: e = error de relación en %
Iex = intensidad de excitación para una tensión dada.
Isn = intensidad en el secundario del TI teórica.
Las curvas
de magnetización nos sirven también para saber la tensión máxima en el
secundario de los transformadores. Gracias a esto podemos identificar si la
carga Z conectada al secundario de un TI es la correcta. Veamos el ejemplo
siguiente:
a)
Relación de
transformación nominal 100/5
b)
Características
de clase y precisión 5P20
c)
Potencia
nominal 30 VA
d)
Carga Z en
el secundario 1.2 W (de los relés y los TI)
e)
Curva de
magnetización de la Figura 23.
De acuerdo
con el factor límite de precisión Flp de valor 20 para una carga Z de 1.2 W precisamos una tensión en el
secundario de 120 V. (comprobar en la curva).
Esto supone
que con una intensidad en el primario de 2.000 A. Debe responder el
transformador con una tensión de 120 V, en el secundario.
Si la carga
en el secundario Z2 fuese de 10 W precisaremos una tensión máxima de 1.000 V:
Como por
diseño el transformador previsto no es capaz de dar más de 120 V sin saturarse
(ver curva), sacamos la conclusión que la elección del TI para la nueva carga
no es correcta.
Los límites
de los errores para la potencia de precisión y la frecuencia nominal no deben
exceder de los valores indicados en la siguiente tabla:
Clase de
precisión
|
Error de intensidad
a la corriente nominal
%
|
Error de fase a la
corriente nominal
|
Error compuesto a
corriente límite de
precisión
|
|
Minutos
|
Centirradianes
|
|||
5P
|
± 1
|
± 60
|
± 1,8
|
5
|
10P
|
± 3
|
-----
|
-----
|
10
|
Para la
prueba utilizaremos un variador de tensión, un voltímetro y un amperímetro con
escalas múltiples, los dos últimos aparatos pueden sustituirse por dos
multitester.
El
procedimiento de la prueba es el siguiente:
- El transformador objeto de la
prueba debe estar aislado de las cargas conectadas en los secundarios, debe
estar en vacío.
- Conectar los aparatos de prueba
como se indica en la Figura 24
- Comprobar que el variador de
tensión se encuentra desconectado y en la posición cero (0).
- Comprobar partiendo con el
variador de tensión en la posición cero, la intensidad mínima de excitación.
Esta se obtiene para una tensión mínima de respuesta, medida en el voltímetro
V.
- Conocida la intensidad mínima de
excitación, registrar en la gama de procedimientos este valor y el de la
tensión, proseguir con valores superiores y escalonados hasta que observemos
que la tensión no varía de valor (el núcleo se ha saturado), aunque se
incremente la intensidad de excitación.
Figura 24: Esquema de conexión para la prueba de
saturación.
- Para evitar perjudicar el TI
ensayado, no prolongar esta prueba con el núcleo saturado.
- Registrar los valores de
intensidad y tensión en la gama de pruebas y dibujar la curva correspondiente (Figura
25 y 26).
Figura
25:
Curva de magnetización, Resultados.
Figura 26: Ejemplo de gama de mantenimiento de
Transformadores de Intensidad
En las
presentes prácticas se han utilizado equipos básicos de medición y prueba para facilitar
la comprensión de las mismas, sin embargo existen equipos sofisticados de
prueba en el mercado que realizan de forma automática estas medidas y la elaboración
de informes, tal es el caso, por ejemplo, del equipo CT Analyzer de Omicron que
se presenta en el siguiente video
VIDEO: Pruebas de TC de protección con CT Analyzer de
Omicron
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