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lunes, 17 de abril de 2017

Elección del dimensionado de transformadores de corriente (TC) (Parte 2ª)



Caso particular de las protecciones diferenciales

Aunque los fabricantes de relés de protección diferencial imponen las características secundarias de los TC necesarias para el buen funcionamiento de sus relés, es interesante, para comprender y evitar los errores, tener un mínimo de conocimientos de este tipo de protección.

Recordemos que una protección diferencial controla una zona que delimitada por los TC que miden sus corrientes de entrada y salida.

Si las corrientes de salida no se corresponden con las de entrada, indica normalmente que hay un defecto en la zona protegida.

A continuación examinaremos paso a paso las siguientes protecciones con sus exigencias en cuanto a los TC:

1.        diferencial de alta impedancia,
2.        diferencial con hilos pilotos,
3.        diferencial a porcentaje
4.        diferencial de baja impedancia.

Según el tipo de protección y el uso que se haga de ella, los constructores de relés han tenido que utilizar principios diversos y más o menos complejos para asegurar la estabilidad de sus relés ante los fenómenos transitorios que pueden provocar la actuación intempestiva de esta protección.

1.- Protección diferencial en alta impedancia

Se utiliza generalmente para proteger motores, generadores, juegos de barras, y también para proteger la «tierra resistente» de los transformadores.

Generalidades:

Este tipo de protección se utiliza para proteger una zona con una misma tensión.

Si no hay ningún fallo, la corriente de entrada i’e es idéntica a la corriente de salida i’s y por tanto la corriente diferencial es i’d = 0 (figura 5). 


Figura 5: Principio de funcionamiento de un diferencial de alta impedancia

Una gran corriente de defecto puede atravesar la zona controlada, provocar la saturación de los TC y, por tanto, el disparo intempestivo (relé no estabilizado). La «estabilidad» del relé se obtiene al relacionarlo con una resistencia «de estabilización» Rst.

Esta resistencia se calcula para que la corriente derivada al circuito diferencial (Rst + Rp) no puede alcanzar el umbral de ajuste del relé cuando la corriente máxima que atraviesa la zona satura el TC debido a su componente continua. Esto se traduce en:


Donde:

Iscc = corriente máxima que puede atravesar la zona vista desde el secundario del TC,
Ir = corriente de ajuste secundario del relé,
Rst puede variar entre algunos ohms y algunas centenas de ohmios (excepcionalmente puede ser superior a 1 000 ohms).
Rct = Resistencia del arrollamiento secundario del TC
RL = Resistencia del cableado
Rp = Resistencia del relé de protección

Para que el relé funcione correctamente en Ir si se produce un defecto en la zona, es necesario que la tensión en el codo Vk sea superior a: 2 (Rst + Rp + Rct + 2RL) Ir.

En general Rct + 2RL son despreciables respecto a Rst + Rp, de donde:

Vk ≥ 2Ir (Rst + Rp)           (2)

Combinando las relaciones (1) y (2) se obtiene:

Vk ≥ 2 Iscc (Rct + 2 RL).         (3)

Estas relaciones demuestran que Rst (expresión 1) y Vk son mayores cuanto más elevado sea Rct.

Una resistencia estabilizadora de valor elevado provoca sobretensiones importantes en el secundario de los TC; por eso, cuando se prevén sobretensiones superiores a 3 000 V, se añade una protección con una resistencia no lineal (descargador de sobretensiones de ZnO).

De estas observaciones se deduce que los TC se optimizarán si Rct y Vk son lo más bajas posible y si la corriente que atraviesa la zona (vista desde el secundario de los TC, es decir Iscc) se define sin exceso.

Cualquiera que sea la aplicación que utilice el diferencial de alta impedancia, todos los TC han de tener:
  • la misma razón, 
  • la misma curva de magnetización, 
  • el mismo Rct,
y cumplir la expresión (3); si los TC del circuito no están a la misma distancia del relé, tomar, para Vk, el de RL máxima.

Por otra parte, para esta protección se necesita un valor máximo de la corriente magnetizante I0 de Vk/2 según la sensibilidad que se desee.

Para que el relé detecte una corriente Ir, en los bornes de cada TC en paralelo es necesario conseguir la tensión Vs = Vk/2; para esto, la corriente primaria Ief mínima realmente detectada por el relé será

Ief = n (Ir + ρ Io)
siendo:

n = la razón de transformación de los TC,
ρ = número de TC en paralelo (pueden ser varios, por ejemplo, en la protección de un juego de barras).

● Aplicación: diferencial para un «motor»

La corriente máxima que circula por el sistema a la que el relé debe de permanecer insensible es, aquí, la corriente de arranque del motor: Iscc = Idm (vista desde el secundario).

Si se desconoce la corriente Idm, se sabe que: Idm < 7 In motor

● Aplicación: diferencial para un «grupo electrógeno»

En este caso, la corriente máxima que circula es la de cortocircuito que suministra el propio grupo. Si se conoce la reactancia subtransitoria del alternador X'' %, se tomará: 


Si no se conoce este dato, se tomará X'' %  = 15

Nota: el cálculo de la tensión de pico en el secundario de los TC se obtiene con:

Iscc maxi = I’’grupo + Icc red.

● Aplicación: diferencial para un «juego de barras» (figura 6).

En este caso, la corriente que atraviesa la zona es igual al Icc del cuadro: Iscc = Icc del cuadro visto en el secundario de los TC. 

Figura 6: Protección diferencial de un juego de barras en alta impedancia

● Aplicación: diferencial de «tierra resistente» de los transformadores (REF)

  • En el caso «a» de la figura 7, se detectan los fallos de aislamiento en los arrollamientos secundarios de los transformadores y hasta de los TC situados a este lado del transformador. 
  • En el caso «b» de la figura 7, se detectan los fallos de aislamiento en el primario del transformador y se mejora, con ventaja, la protección clásica de defecto a tierra que es sensible a las bruscas corrientes de arranque del transformador y a las corrientes de cortocircuito asimétrico aguas abajo. Aquí también se calculará Rst y Vk partiendo de la corriente máxima que atraviesa los TC debido a un defecto de fuera de la zona protegida. En una primera aproximación, esta corriente es inferior a la corriente limitada por la impedancia del transformador,


sea:

con:
(potencia de cortocircuito del transformador); si se conoce la potencia de cortocircuito aguas arriba (Pa) es suficiente sustituir Pcct por:

La corriente se convierte a continuación en Iscc visto desde el secundario de los TC.


Figura 7: Protección de tierra resistente de los arrollamientos secundarios o primarios de un transformador

2.- Protección diferencial de las líneas o cables, con hilos piloto (figura 8).

En cada extremo del cable o de la línea se instala un relé de este tipo.

Sobre los hilos piloto, cada uno de los relés produce una tensión que es la imagen de la suma:

aI1 + bI2 + cI3 + dIh

Si las dos tensiones son diferentes, los dos relés se ponen en funcionamiento.

Nota:
Los coeficientes a, b, c y d son diferentes para que cualquier tipo de defecto dé una suma no nula; por tanto, el umbral de funcionamiento para un defecto bifásico o fase-tierra depende de la fase que falle.
Aquí todavía los TC se definen en clase X, y cada constructor da una fórmula empírica para la tensión Vk mínima.

Ejemplos de formulación:

Vkmin= 0,5N Kt In (Rct + X RL)

donde N, kt, X son constantes relacionadas con el tiempo de respuesta de los relés, su sensibilidad y su forma de cableado.

Otro ejemplo posible: 


donde:

In es la corriente nominal secundaria del TC (1 ó 5 A). If es la corriente de cortocircuito que atraviesa la zona, vista desde el lado del secundario del TC.

La estabilidad de este relé se consigue en parte respecto a la tensión de codo requerido y en parte por el umbral de funcionamiento porcentual que aumentará con la corriente que atraviesa la zona gracias a los arrollamientos de retención. En los dos extremos de la línea, los TC han de tener la misma razón de transformación y respetar las Vk mínima e I0 máxima indicadas por el fabricante. No es necesario que sus curvas de magnetización y Rct sean siempre idénticas. 


Figura 8: Diferencial de línea o de cables con hilos piloto




FUENTE:

Schneider Electric: Transformadores de intensidad: cómo determinar sus especificaciones (Paola FONTI)


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