Transformadores de
Corriente de 420 kV, ARTECHE
Los transformadores
de corriente (TC), también denominados de intensidad (TI), están diseñados para
reducir la intensidad a valores manejables y proporcionales a la primaria
original. Separa del circuito de alta tensión los instrumentos de medida,
contadores, relés, etc.
Principios
teóricos
Según la teoría general
de los transformadores, la fuerza contraelectromotriz primaria y electromotriz
secundaria, responden a las fórmulas:
En las que:
U1 =
Tensión aplicada al primario.
E1 =
Fuerza contraelectromotriz primaria, opuesta U1 y aproximadamente de
igual valor (prescindiendo de las caídas de tensión en el arrollamiento). Valor
eficaz en Volt.
E2 =
Fuerza electromotriz secundaria, aproximadamente igual a la tensión secundaria
(prescindiendo de las caídas de tensión en el arrollamiento). Valor eficaz en
Volt. = Valor cresta de la inducción magnética en el núcleo del transformador.
En Tesla.
S = Sección del
núcleo perpendicular a la dirección del flujo magnético. En m².
P = Frecuencia de
la tensión de la línea, aplicada al primario. En Herz.
N1 =
Número de espiras de arrollamiento secundario.
N2 =
Número de espiras de arrollamiento secundario.
La inducción
magnética, magnitud que determina el comportamiento del circuito magnético,
resulta inversamente proporcional a la frecuencia impuesta por la línea al
transformador, y por tanto es función de la misma.
La frecuencia es
pues una de las magnitudes que determinan las condiciones de funcionamiento del
transformador.
Principio
de funcionamiento
Supongamos el TC
intercalado en la línea y con el secundario cerrado en cortocircuito, o sea sin
carga.
Al circular una
corriente alterna por el primario, la fuerza magnetomotriz I1N1,
crea en el núcleo magnético un flujo también alterno
que induce una
fuerza electromotriz E2 en el secundario cerrado en cortocircuito.
Esta hace circular pues una corriente I2 por dicho arrollamiento y
por tanto hay ahora una fuerza magnetomotriz secundaria I2N2
contraria (ley de Lenz) a la primaria.
En el caso ideal de
que el arrollamiento secundario tuviera una impedancia nula, la fuerza
electromotriz E2 necesaria para hacer circular la intensidad
secundaria I2 sería cero, por lo cual el flujo en el núcleo debería
ser también nulo. Esto significa que la fuerza magnetomotriz secundaria sería
de igual valor que la primaria, o sea:
por tanto,
La proporcionalidad
(relación de transformación nominal) se cumpliría exactamente, el error sería
cero.
Figura 1
En la realidad no
es así, pues el arrollamiento secundario, aunque pequeña, tiene siempre una
cierta impedancia Z2 (figura 1), por lo cual, para hacer circular la
corriente I2 se requiere una fuerza electromotriz E2=I2Z2.
La inducción magnética β en el núcleo, ya no puede ser cero, sino que debe
tener el valor necesario para inducir dicha fuerza electromotriz, según la
fórmula antes indicada:
En consecuencia, la
fuerza magnetomotriz secundaria no puede ser ya igual a la primera, sino algo
menor. La diferencia I1N2 - I2N1,
es la fuerza magnetomotriz resultante requerida. La corriente I2 es
pues algo menor que en el caso ideal anterior.
Las cosas suceden
como si por el arrollamiento secundario circulara una corriente igual a la
diferencia entre el valor de la corriente secundaria en dicho caso ideal de
impedancia cero, y el valor en el caso real.
Aunque esta
intensidad denominada "corriente de excitación secundaria" Ie es un
ente solamente conceptual, a los efectos de cálculo y de comprensión del
fenómeno es como si fuera real. Se tiene pues:
y por tanto:
Esta corriente Ie
es pues la que motiva el error de relación, pues impide que se cumpla
exactamente la proporción:
Si ahora se
conectan aparatos al secundario su impedancia se sumará a la propia del
arrollamiento constituyendo en conjunto la carga de impedancia Z2.
La fuerza electromotriz E2 = I2Z2, deberá ser
mayor y por tanto también la fuerza magnetomotriz N2Ie, o
sea la corriente Ie.
Se deduce pues que
aún con corriente primaria constante, el error aumenta al incrementarse la
carga en el secundario, por ejemplo por conexión de más aparatos.
Por otra parte, si
varía la intensidad primaria (es la intensidad en la línea donde está conectado
el TC), variarán también en la misma proporción, la intensidad secundaria y la
fuerza electromotriz E2 = I2Z2. Variará también
la fuerza magnetomotriz N2Ie necesaria, o sea la corriente de
excitación Ie. Se desprende pues, que aún con una carga Z2 constante
el error varía según sea la corriente primaria.
Esta "corriente de excitación" Ie, es también la causa del
error de fase pues forma un cierto ángulo con la corriente I2, dado
que la posición de Ie en el diagrama vectorial de corrientes está determinado
por el vector de flujo ɸ = βs y por las pérdidas magnéticas. Este ángulo con la corriente I2
varía según el valor de Ie. De todas formas es muy pequeño (valores límite 30,
60, 90 minutos según clase de precisión).
Obsérvese que si el
secundario queda en circuito abierto, esto equivale a haber conectado una
impedancia Z2 muy elevada, casi infinita. Por tanto la tensión E2
aumentará al máximo, para intentar llegar a E2 = I2Z2.
La inducción β en el circuito magnético crecerá hasta llegar a la saturación
del mismo. Todo ello pone en peligro el aislamiento del arrollamiento
secundario, produce un fuerte calentamiento en núcleo, debido a las pérdidas
magnéticas y hace que aparezcan una sobretensión peligrosa en los bornes del
secundario.
Para más detalles
ver post: ¿Por qué no se debe dejar abierto el secundario de un transformador
de intensidad? en el siguiente link:
Por tanto, cuando
no se conecte ningún aparato, el secundario tiene que cerrarse en cortocircuito
mediante un puente de conexión entre los dos bornes.
Elementos
constitutivos de los transformadores de corriente (Figura 2 a y 2 b)
Figura 2 a:
Elementos constitutivos de los transformadores de corriente (ARTECHE)
para interior de
media tensión
Figura 2 b: Elementos constitutivos de los transformadores de corriente (ARTECHE)
para exterior de alta tensión
Bornes primarios
Permiten la
conexión en serie del T.C. con el circuito cuya intensidad se desee medir. Suelen
indicarse con los nombres P1 y P2.
Marcado de bornes
en un T.C. (IEC 61869-2)
Reglas generales
Las marcas de los
bornes identificarán:
·
Los arrollamientos primario y secundario.
·
Las secciones de cada arrollamiento, cuando estén
divididos en secciones.
·
Las polaridades de cada arrollamiento y de las
secciones de los arrollamientos.
·
Las tomas intermedias, si existen.
Modo de marcado
Las marcas de los
bornes identifican:
·
los arrollamientos primario y secundario;
·
las secciones de cada arrollamiento, cuando estén
divididos en secciones;
·
las polaridades relativas de los arrollamientos y de
las secciones de los arrollamientos;
·
las tomas intermedias, si existen.
Los bornes deben
ser marcados de un modo claro e indeleble, sobre su superficie o en su
proximidad inmediata. Las marcas deben consistir en letras mayúsculas
seguidas o precedidas, cuando sea
necesario, por números.
Marcas a emplear
Las marcas de los
bornes de los transformadores de intensidad están indicadas en la tabla
siguiente:
Otras marcas de
bornes se pueden utilizar si se especifica en las normas nacionales.
Los bornes marcados
P1, S1, C1 tienen en todo momento la misma polaridad.
Figura 3: Símbolos
normalizados de los transformadores de corriente:
Placas de cambio de
la relación de transformación
El arrollamiento
primario puede tener una, dos o cuatro secciones de devanados. Esto permite
combinar desde el exterior la interconexión de las secciones y poder elegir
una, dos o tres intensidades primarias y por tanto diferentes relaciones de
transformación.
Figura 4a: Transformador
T.C. de doble relación primaria: 50-100/5A
Figura 4b: Placas
de cambio de relación de transformación
Devanado primario
El devanado primario consta de
una o varias espiras que se conectan en serie con el circuito cuya intensidad
se desea medir.
Se utiliza pletina de cobre en
varias capas o una barra pasante para el caso de fuertes intensidades. Para
relaciones de transformación bajas se usa hilo de cobre esmaltado.
Devanado secundario
El devanado secundario alimenta
los circuitos de intensidades de uno o varios aparatos de medida, conectado en
serie.
Es habitual tener varios
arrollamientos secundarios, cada uno bobinado sobre su circuito independiente,
de forma que no existe influencia de un secundario sobre otro.
Suele utilizarse hilo de cobre
eléctrico puro, esmaltado, clase H, bobinado con distribución muy ajustado para
evitar al máximo los flujos de fugas
Núcleo magnético
El transformador de intensidad
está constituido por uno o varios núcleos magnéticos, tantos como secundarios
se definan para el T.C. Estos núcleos son independientes entre sí.
Normalmente los núcleos son de
forma toroidal y construidos con chapa magnética de acero al silicio, de grano
orientado y bajas perdidas. En los T.C. destinados a alimentar instrumentos de
medida se utiliza aleación ferroníquel de alta permeabilidad y bajo nivel de
saturación.
Bornes secundarios
Permite la alimentación de los
circuitos de intensidad de uno o varios aparatos de medida, conectados en
serie.
Carcasa
Las carcasas proporcionan el
soporte, la envolvente protectora, un medio conductor térmico por el
transformador.
En media tensión, hasta unos 72
kV, prácticamente la solución consiste en encapsular los transformadores en
resina epoxy con proceso de colado bajo vacío. En estos transformadores la
resina de epoxy hace las funciones, además de soporte mecánico, de aislante
eléctrico.
En alta y muy alta tensión el
aislamiento externo es bien de porcelana o bien de silicona, y el aislamiento
interno es de papel-aceite o gas SF6.
Tipos de transformadores de corriente
Figura 5 a: Transformadores de corriente de MT (ARTECHE) para interior
TC 1 : Aislamiento papel – aceite modelo CA de ARTECHE hasta 800 kV
TC 2: Aislamiento papel – aceite modelo LB de ARTECHE hasta 362 Kv
TC 3: Aislamiento gas modelo CG de ARTECHE hasta 550 kV
TC 4: Aislamiento seco modelo CX de ARTECHE hasta 72,5 kV
Figura 5 b: Transformadores de corriente de AT para exterior
Valores normalizados para la intensidad primaria
·
Transformadores con una sola relación de transformación.
Las columnas coloreadas son las
preferentes
·
Transformadores con varias relaciones de transformación.
Los valores de la tabla
anterior se refieren al valor más bajo de la intensidad primaria.
Valores
normalizados para la intensidad secundaria
Valores
normalizados: 1A, 2A, y 5A, siendo este último valor el preferente y, con
mucho, el más frecuente.
Conexión de los transformadores de corriente
Los transformadores de
intensidad se conectan con su primario intercalado en la línea, o sea, "en
serie" con ella. Dicho primario queda recorrido pues por la plena
intensidad de la línea. En bornes secundarios del T.C. se conecta la carga
(amperímetros, contadores, relés, etc.).
Figura 6
Por razones de seguridad, se
conecta siempre a tierra uno de los bornes de cada uno de los secundarios, por
ejemplo: S2 si hay un solo secundario o bien el 1S2 y el 2S2 si hay dos
secundarios.
Ver post: Precauciones en la
instalación de Transformadores de corriente (TC) en el siguiente link:
En un T.C. no se debe dejar
nunca el secundario abierto, según se ha indicado anteriormente.
Si no hay carga conectada,
cortocircuitar los bornes secundarios. Al conectarse la carga, primero conectar
ésta y luego retirar el cortocircuito
Esquemas típicos de conexión de
TC
Figura 7
Continua en Aparamenta
de Subestación:Transformadores
de Corriente (T.C.) (Parte 2ª)
POSTS RELACIONADOS:
Elección del dimensionado de
transformadores de corriente (TC) (Parte 1ª)
Elección del dimensionado de
transformadores de corriente (TC) (Parte 2ª)
Elección del dimensionado de
transformadores de corriente (TC) (Parte 3ª)
Elección del dimensionado de
transformadores de corriente (TC) (y Parte 4ª)
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/04/eleccion-del-dimensionado-de_21.html
Aparamenta de Subestación: Transformadores de Tensión (T.T.) (Parte 1)
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/06/aparamenta-de-subestacion.html
Aparamenta de Subestación: Transformadores de Tensión (T.T.) (y Parte 2)
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/06/aparamenta-de-subestacion_23.html
Aparamenta de Subestación: Transformadores de Tensión (T.T.) (Parte 1)
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/06/aparamenta-de-subestacion.html
Aparamenta de Subestación: Transformadores de Tensión (T.T.) (y Parte 2)
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/06/aparamenta-de-subestacion_23.html
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