Elección del tipo de núcleo del T.C.
En función de que un
transformador de intensidad se diseñe para medida o para protección, la
elección del tipo de núcleo a elegir es diferente.
Intervienen dos factores,
fundamentalmente:
- · La permeabilidad µ del material
Para conseguir errores
porcentuales bajos, interesa trabajar con materiales ferromagnéticos de alta
permeabilidad (µ). Una alta permeabilidad condiciona una reluctancia baja y por
tanto la corriente de excitación necesaria para establecer el flujo, que
también será pequeña.
Nótese que la intensidad
primaria está compuesta por la corriente de excitación, I0 y la de
carga la corriente de excitación es la que introduce al error:
por tanto, valores de I0
(alta permeabilidad del metal) dan errores menores.
- · La saturación
Para transformadores de medida:
Interesa que el núcleo magnético se sature fácilmente. Se busca que el factor
de saturación sea bajo, o lo que es lo mismo, un bajo factor de seguridad.
Para transformadores de
protección: Interesa que el núcleo magnético tarde en saturarse. Se busca que
el factor de saturación sea elevada.
Materiales a escoger:
- · Transformadores de medida
Utilizan aleaciones
ferromagnéticas a base de níquel (30-70% Ni), con diversos nombres comerciales
(Mu-metal, Permalloy, etc.).
Estos materiales tienen un
valor alto de combinado con una saturación para valores reducidos de B (por
ejemplo, 8000 Gauss).
- · Transformadores de protección
Utilizan chapa magnética de
acero al silicio, de grano orientado y bajas pérdidas, recocidos para recuperar
sus características óptimas.
Estos materiales tienen un
valor alto de combinado con un alto índice de saturación (saturación para
valores elevados de β).
Clasificación de los transformadores de corriente
Según sea su aplicación los TC se clasifican en TC para medida y TC para
protección.
TC para medida
Las características de un T.C.
diseñado para alimentar instrumentos de medida son distintas de uno pensado
para alimentar relés de protección.
Los aparatos para medida,
contaje y análogos, como son amperímetros y bobinas amperimétricas (vatímetros,
varímetros, contadores de energía activa o reactiva, etc.), no suelen poder
soportar sobrecorrientes exageradas. Para evitar posibles averías, interesa que
a partir de ciertos valores de las sobrecorrientes, el secundario se
"desacople" del primario.
Esto se logra diseñando el
circuito magnético (núcleo) de forma que entre en saturación a partir de cierto
valor de la sobrecorriente, ya que no crece aunque siga aumentando la corriente
primaria.
Intensidad y factor de seguridad para aparatos de medida (IEC 61869 y IEEE
C 57.13)
Para proteger los aparatos
alimentados por el transformador de corriente, en caso de cortocircuito en la
red donde está instalado, se define el Factor de Seguridad para los aparatos de
medida, Fs:
Ips = Intensidad nominal de seguridad.
Ipn = Intensidad primaria nominal.
La intensidad nominal de
seguridad es el valor de la intensidad primaria más baja para la que el
transformador ha comenzado a saturarse. La norma indica que, en este momento,
la intensidad secundaria (Ips) multiplicada por la relación de transformación
nominal debe ser menor o igual a 0,9 veces la intensidad primaria, estando
conectada al secundario la carga nominal.
Aclaraciones:
- En el caso de que circulen corrientes de defecto del sistema a través del devanado primario de un T.C., la seguridad del aparato de medida alimentado por el transformador es tanto mayor cuanto menor sea el valor del factor de seguridad Fs.
- La letra "Fs" sustituye en las normas actuales a la letra "h", y la definición del "Factor de sobrecarga", cambiando de sentido el signo de la igualdad.
- La interpretación del concepto del factor de seguridad puede observarse en la siguiente gráfica (figura 8), donde se indica la relación entre las intensidades primaria y secundaria, para un Fs ≤ 5.
Figura 8
- De la gráfica se observa que el "desacoplo" del secundario por saturación de núcleo magnético también puede expresarse como que a partir de cierto valor de la intensidad primaria, el error de relación aumenta a valores excesivos.
Clase de precisión de un
transformador de corriente para medida
La clase de precisión de un
transformador de corriente para medida está caracterizada por un número (índice
de clase) igual al límite superior del error de relación admisible, expresado
en tanto por ciento, para la intensidad nominal primaria y estando alimentado
el transformador con la carga.
Las clases de precisión de los
transformadores de intensidad para medida son: 0,1 - 0,2 - 0,5 - 1 - 3.
En los transformadores de estas
clases, los errores de intensidad y fase, a la frecuencia nominal, no deberán
sobrepasar los valores de la tabla que sigue, cuando la carga secundaria esté
comprendida entre el 25 y el 100% de la carga de precisión.
Para la clase 3 no se impone
límite alguno de error de fase. Para el error de intensidad, se prescribe:
TC para protección
Cuando se trata de
transformadores de corriente destinados a alimentar relés de protección,
interesa que al aparecer sobrecorrientes el secundario las refleje
aceptablemente (se pueden admitir ciertos errores, pues los relés no suelen
requerir tanta precisión como los aparatos de contaje).
Esto es así, de aviso o de
acción cuando detectan la sobrecorriente. Por esto interesa que en este caso el
transformador no alcance la saturación hasta valores elevados de la corriente
primaria porque los relés de vigilancia y protección que actúan por valores de
corriente anormales (ya sea por nivel excesivo, por un sentido incorrecto o por
un ángulo de desfase), dan una respuesta, por encima de las corrientes de
excitación de los relés.
Normas referentes a
transformadores de corriente para protección (IEC 61869 y IEEE C 57.13)
Los transformadores de corriente
para protección son los destinados a alimentar relés de protección. Deben, por
tanto, asegurar una precisión suficiente para intensidades de valor igual a
varias veces la intensidad nominal. La precisión del transformador se establece
en función del error compuesto que se tiene para la intensidad límite de
precisión.
Error compuesto
En las condiciones de régimen
permanente, se refiere como el valor eficaz de la diferencia integrada sobre un
período entre:
- Los valores instantáneos de la intensidad primaria.
- El producto de la relación nominal por los valores instantáneos de la intensidad secundaria real.
El error compuesto se expresa
en tanto por ciento del valor de la intensidad primaria, según la fórmula:
donde:
Kn = Relación de transformación
nominal.
Ip = Valor eficaz de la intensidad primaria.
ip = Valor instantáneo de la intensidad
primaria.
is = Valor instantáneo de la intensidad
secundaria.
T = Período de la intensidad.
Si ip e is son senoidales, el
error compuesto es la suma vectorial del error de relación y del error de fase.
En este caso, la fórmula anterior se transforma en:
Intensidad límite de precisión
nominal
Es el valor más elevado de la
intensidad primaria, para el cual el transformador, con la carga de precisión,
responde a los límites exigidos al error compuesto, según la clase de precisión
para la que esté definido.
Factor límite de precisión
Es la relación entre la
intensidad límite de precisión nominal y la intensidad nominal primaria.
Debe tenerse en cuenta que el
factor límite de precisión depende de la carga, y si ésta es superior a la
carga de precisión, el factor límite de precisión es inferior al nominal.
Lo expuesto hace aconsejable no
reunir en un mismo secundario de un transformador de corriente aparatos de
medida y de protección. Lo correcto es emplear dos transformadores o bien un
transformador de corriente de doble núcleo, cada uno con las características
constructivas adecuadas.
Para más detalles ver post: “Diferencias
entre Transformadores de Intensidad (TI) para medida y protección”, en el
siguiente link:
Clase de precisión de un
transformador de corriente para protección
La clase de precisión de un
transformador de corriente para protección está caracterizada por un número
(índice de clase) y la letra "p" (inicial de protección).
El índice de clase indica el
límite superior del error compuesto para la intensidad límite de precisión
nominal y la carga de precisión. Después va la letra "P", figura de
factor límite de precisión nominal.
Las clases de precisión
normales son: 5P y 10P.
Para la potencia de precisión y
la frecuencia nominal, el error de intensidad, el de fase y el compuesto, no
deberán exceder de los valores indicados en la tabla:
Para determinar el error de
intensidad y el de fase, la carga debe ser inductiva a la carga de precisión
con un factor de potencia igual a 0,8 con la excepción de que, cuando la carga
total sea inferior a 5 VA, puede ser resistiva (Factor de potencia 1).
Para determinar el error
compuesto, la carga puede tener un factor de potencia comprendido entre 0,8
inductivo y la unidad, a elección del fabricante.
Guía de aplicación de T.C.
según su clase de precisión
Potencia de precisión de un T.C.
La potencia de precisión o
potencia nominal es el valor de la potencia aparente (VA) máxima, con la cual
se puede cargar el T.C. sin que éste sobrepase el valor correspondiente a su
clase de precisión, para la intensidad secundaria nominal.
¡Importante! La potencia
nominal (carga) en un transformador de potencia viene definida por una
condición térmica. En cambio, en un transformador de medida la potencia nominal
viene definida por condicionantes de precisión y corresponde a un valor máximo
admisible de Zc.
Valores normalizados de
potencia de precisión (VA)
Se admiten las siguientes
potencias nominales en VA bajo un factor de potencia 0,8: 2,5, 5, 10, 15, 30 VA
Carga a conectar en un T.C.
Es la impedancia del instrumento
que se conecta en el secundario del T.C. Puede darse en valor de impedancia (W)
o en valor de potencia, indicando siempre su factor de potencia.
Sc = Potencia de la carga (VA).
I2sn = Corriente
secundaria absorbida.
Zc = Impedancia de la carga.
El T.C. adecuado para alimentar
una cierta carga se diseñaría teniendo en cuenta
- El consumo propio del aparato que se alimenta.
- La longitud de los cables de conexión y su sección.
Consumos típicos de aparatos de
medida y protección de intensidad
Potencia consumida por metro de
conductor de cobre
La longitud del conductor a
considerar será la suma del de ida más el de retorno. Cuando la longitud total
de los conductores es grande, es recomendable usar una intensidad secundaria de
Isn = 1A.
Intensidades de cortocircuito asignadas
Los transformadores de
intensidad, se conectan intercalados ("en serie") en la línea. Por
tanto, en caso de fuerte sobreintensidad, por ejemplo cortocircuito, su
arrollamineto primario es recorrido por una corriente muy superior a la
nominal.
El TI debe estar previsto para
poder soportar sin deteriorarse los efectos térmicos y mecánicos de la
corriente más elevada que pueda presentarse en la línea o circuito donde esta
conectado. Esta corriente es, en general, la de cortocircuito.
Esto afecta básicamente al
arrollamiento primario, pero en los TI destinados a alimentar relés de
protección, afecta también al núcleo magnético y al circuito secundario.
Se define como "Intensidad
térmica nominal de cortocircuito" (Ith) el valor eficaz de la corriente
primaria que el transformador puede soportar durante 1s, con el arrollamiento
secundario en cortocircuito, (o sea sin carga), sin sufrir efectos
perjudiciales.
Se considera que el tiempo de
1s (1000 ms) es suficiente para que las protecciones del cortocircuito actúen y
los interruptores desconecten. Esta intensidad térmica admisible se acostumbra
a expresar como un múltiplo de la intensidad nominal primaria In, por ejemplo
150 In.
Se define como "Intensidad
dinámica nominal" (Idin), el valor de cresta de la intensidad primaria que
el trasformador puede soportar, con el arrollamiento secundario en
cortocircuito (o sea sin carga), sin ser dañado eléctrica o mecánicamente por
las fuerzas electromagnéticas resultantes.
Como sea que la corriente de
cortocircuito puede tener una componente de corriente continua (cortocircuito
asimétrico), esta "Intensidad dinámica nominal" debe ser como mínimo
o sea aproximadamente 2,5 veces
la "Intensidad térmica nominal", para que ambos valores estén
mutuamente coordinados. Las normas indican como valor normal:
Hay que prever también la
posibilidad de que por circunstancias se servicio, la corriente que circula por
el primario sea, en tiempos largos, permanentemente,
superior a la nominal. Para ello, se define como "Intensidad térmica
permanente nominal" al valor de la
corriente que puede circular en permanencia por el arrollamiento secundario
conectado a la carga nominal de precisión, sin que el calentamiento del
transformador exceda de los límites admisibles según las normas.
Esta "Intensidad térmica
permanente", acostumbra a ser de 1,2 veces la corriente nominal In.
Según las normas, con esta
corriente 1,2 In el transformador debe mantenerse aún, dentro de su clase de
precisión.
Nivel de aislamiento
Los transformadores de
corriente como elementos que son de un circuito eléctrico, están sometidos a
una tensión y por tanto deben cumplir con unos requisitos de aislamiento
análogamente a los demás aparatos y elementos que componen el sistema.
Se define como "Nivel de
aislamiento nominal" de un TC, a la combinación de valores de las
tensiones que puede soportar el transformador, a frecuencia industrial y con
onda de choque, las cuales caracterizan su aptitud para soportar las
solicitaciones dieléctricas normales o anormales que puedan presentarse durante
el servicio. Estas tensiones son las denominadas "tensiones de
ensayo".
El nivel de aislamiento
determina la tensión máxima de la red a la que puede conectarse el
transformador, o, a la inversa, para cada tensión máxima de servicio de un TI
le corresponde unas determinadas tensiones de ensayo a frecuencia industrial y
con onda de choque, establecidas por las normas.
Valores de la tensión de ensayo
("tensión soportada") normalizados
Dado que el TC está conectado
"en serie" en la línea, la tensión aplicada no influye en el valor de
la inducción magnética en el núcleo, y por tanto las sobretensiones no producen
efectos tales como incremento de la inducción y/o saturación del núcleo
magnético.
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transformadores de tensión (TT) e intensidad (TI)
Este post me ha parecido realmente excelente. Y mucho más aún, me ha resultado de gran ayuda para resolver una cuestión técnica referida a los TC cuando deben responder ante las corrientes de cortocircuito.
ResponderEliminarPor todo ello, mi sincero agradecimiento al autor ;-)