Cómo medir corriente y hacer mediciones de potenciaVisión GeneralEste documento cubre las diferentes transductores de corriente disponibles y como deben ser implementados con el propósito de análisis de calidad de energía y monitoreo de potencia.

Contenido1. Transformadores de Corriente y Transductores

2. Mediciones Requeridas

3. Componentes Sugeridos para sistemas trifásicos

1. Transformadores de Corriente y Transductores

Medir de manera segura grandes corrientes en un laboratorio o en un piso de producción presenta muchos retos los cuales no están asociados con la adquisición de señales típicas. Medir el voltaje a través de unas pequeñas resistencias de carga puestas en un circuito es poco práctico y puede llegar a ser peligroso. Instrumentos comunes como un multímetro digital generalmente puede medir corrientes en el orden de pocos amperes, pero esto generalmente tiene límites en el período de tiempo que puede ser observado y también se debe tener cuidado para evitar dañar el equipo o causar alguna herida. Y aún más importante, algunos usuarios deben de medir corrientes considerablemente más grandes que pueden ser medidas de forma segura a través de conexiones directas.

Para medir altas corrientes de manera segura, la práctica más común es hacerlo con un Transformador de Corriente (CT) de propósito general.  O transductor el cual reduce la magnitud de la corriente en el circuito a un nivel más manejable. Así como en otras tecnologías de medición, hay una gran variedad de tipos de sensores específicos para diferentes aplicaciones.

 

 

Núcleo Dividido vs. Núcleo Solido

 Los transformadores de corriente pueden ser de núcleo dividido (abierto) o núcleo sólido (cerrado). Los transformadores de corriente usan la inductancia para medir la corriente, de esta forma el circuito debe pasar al menos una vez a través de sensor, aunque varias vueltas pueden ser usadas para multiplicar la corriente de salida. Cuando se instala los CT en un circuito existente, los de núcleo dividido son vistos con mayores ventajas ya que pueden ser abiertos y puestos alrededor de los cables existentes sin tener que interrumpir el circuito. Por otra parte los CT de núcleo sólido requieren que el circuito sea re-cableado para que pueda pasar a través del núcleo. Debido a que los costos de la instalación pueden exceder el precio de los sensores, los sensores de núcleo dividido, aunque son más costosos, pueden reducir el costo total de la implementación. Los transductores de núcleo sólido pueden ser preferidos, en situaciones en donde mediciones extremadamente precisas son requeridas, ya que por el mismo precio de uno de núcleo dividido puede obtener más precisión.

 

Los CT de núcleo dividido cuestan más pero provén una instalación más fácil

Los CT de núcleo sólido son más precisos por un menor costo

 

Salida e Integración con Sistemas de Medición

Se debe de tener cuidado cuando se integran sensores de corriente en sistemas de medición ya que las salidas de diferentes sensores pueden diferir. Si se conecta un sensor no adecuado a su equipo ó conectar un sensor incorrectamente puede dañar tanto el sensor así como el sistema de medición y puede originar riesgos de seguridad para el personal. Es esencial saber qué tipo de sensor se está comprando y como se hace la interface con la instrumentación. 

Los transformadores vienen con dos diferentes configuraciones de salida: salidas de voltaje y salidas de corriente. Sensores con señales de voltaje proporcionales en corriente en el primario del transformador son generalmente clasificados en volts por ampere primario, ej. V por amp. Estos sensores generalmente contienen una resistencia de carga interna que permite a la corriente secundaria ser medida como voltaje. Los sensores que entregan una salida de voltaje pueden ser conectados a la mayoría de los equipos estándar de pruebas, siempre y cuando el voltaje no exceda los rangos de entrada del equipo. Las señales que producen estos sensores son de baja potencia y pueden ser conectados y desconectados sin dañar el sensor. Ya que son señales de baja potencia están expuestos a interferencia y degradación de la señal, y no siempre son adecuados cuando el cableado entre el sensor y los equipos de medición es muy largo.

Otros transformadores de corriente tienen una salida de formas de onda de corriente en sus terminales secundarias. Estos sensores producen señales de alta potencia las cuales pueden producir riesgos en la seguridad del personal si no son manejados adecuadamente. Las terminales secundarias de estos transformadores son construidos generalmente para tener una salida nominal de 5 ampere AC (AAC) o señales 1 AAC, y no pueden ser conectados directamente a la mayoría de equipos estándar.    

Un CT  500:5 por ejemplo, puede producir 5 AAC de corriente secundaria cuando 500AAC pasa a través de su primario. Es extremadamente importante que las terminales secundarias de este CT no estén en un circuito de configuración abierta si la corriente este pasando  a través de las bobinas primarias, produciendo voltajes peligrosos en el secundario generando en el sensor un daño permanente. Por esta razón, los circuitos secundarios de CT que tienen salidas de corriente nunca deben ser cruzados. Para poder usar estos sensores con equipo medición que no acepta entradas de corriente se necesita implementar una resistencia de carga a la entrada. Para poder mantener la integridad de la señal. La resistencia es generalmente puesta lo más cerca al equipo de medición. Contacte a su proveedor de su equipo de control o prueba si no está seguro acerca de las entradas que acepta (corriente, voltaje).

Sensores de corriente básicos y transformadores de corriente no realizan ningún tipo de análisis o registro en un circuito de potencia. Mediciones tales como el RMS, factor de poder, pico a pico, fase y muchas otras son comunes y requieren de sensores más caros o pueden ser calculadas con la salida de un sensor de corriente básico/transformador y software. Para sistemas de prueba usados en el diseño o pruebas de manufactura es generalmente preferido tener un sistema que realice los cálculos debido a los únicos y muy específicos requerimientos que vienen en el diseño y validación del producto.

 

Fabricantes de Sensores y Transformadores

Las siguientes compañías de terceros tienen transformadores de medición de corriente y/o transductores en sus catálogos.

MAGNELAB CR Magnetics LEM

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2. Mediciones Requeridas

Las mediciones de potencia fundamentales pueden ser observadas en la figura 2, representadas en lo que es conocido como el triangulo de potencia. Usando las tres mediciones de voltaje, corriente y el offset de la fase entre el V y las formas de onda de I,  se puede calcular el triángulo completo.

Medición de Voltaje

NI ofrece una amplia selección de módulos de medición de voltaje pero para mediciones de formas de onda de potencia los módulos sugeridos son él NI 9239 para mediciones de 10V, el NI 9229 para mediciones de 60V y él NI 9225 para mediciones de hasta 300Vrms. Los tres módulos tienen muestreo simultáneo los cuales son necesarios para mediciones trifásicas y tienen 600 Vrms CAT II de aislamiento de seguridad canal a canal. Aunque es más conveniente tener una conexión directa al módulo para mediciones de voltaje, se puede usar un transformador de potencia (PT) para voltajes superiores a los 300Vrms para bajar el voltaje de forma similar a los transformadores similares discutidos anteriormente.

El NI 9225 puede medir hasta 300 Vrms

 

Medición de Corriente

Ya que varios sensores de corriente pueden entregar una salida de voltaje proporcional al flujo de la corriente a través de su secundario, hay muchos productos de NI que pueden ser usados para mediciones de alta corriente. Para un sensor de 10V de salida use el NI 9239. Este módulo opera con la misma arquitectura de un NI 9225 haciéndolo una opción ideal para sincronización. La selección de un módulo de medición de entrada analógica para corriente dependerá del sensor de corriente seleccionado, así como el la corriente máxima esperada en el circuito medido. Mientras que el hardware de NI cumple

todos los estándares de la industria para aislamiento de voltaje una selección equivocada de un módulo de entrada analógica puede ocasionar una saturación de la medición o un daño en el módulo si la salida de voltaje del sensor excede el rango de adquisición del módulo.  Cuando se calcula el máximo de voltaje de salida del sensor, recuerde que varias máquinas industriales tienen corrientes transitorias de arranque que algunas veces son sus rangos normales de carga. Revise la hoja de especificaciones de cada módulo de forma individual cuando se encuentre seleccionando el módulo adecuado para su aplicación.

Midiendo la Fase de Offset

Para hacer la medición del offset de la fase entre las dos formas de onda de la corriente y el voltaje, los canales necesitan estar sincronizados. Esto es conseguido usando los dos módulos, tales como él NI 9225 para voltaje y él NI 9239 para corriente, en el mismo chasis de Compact RIO o Compact DAQ. Estos planos traseros pueden correr todos los canales en los mismos relojes internos proveyendo de datos sincronizados. Con estos datos síncronos, el offset de fase puede ser calculado en software. Muchos paquetes de software tienen funciones incorporadas para este análisis, una manera fácil de hacerlo es instalar la paleta de Electrical Power Measurements para LabVIEW del Tutorial de Electrical Power   Measurement  y utilice el “EPM_Phasor.vi. Para más información de fases vea el tutorial de Phase Modulation.

Dadas las entradas de V y las formas de onda de I, esta función regresará los cálculos de RMS y el ángulo de fase para cada componente

 

120.22 ≤ 0.00°

Este indicador de fase está incluido con la paleta de Electrical Power Measurement.

 

3. Componentes Sugeridos para sistemas trifásicos

•1 Chasis NI CompactDAQ (cDAQ-9172)  ó Chasis CompactRIO Chassis (varias opciones disponibles)

•1 NI 9225 – Módulo de entrada de 300Vrms para medición de voltaje.

•1 NI 9225 (300Vrms), NI 9229 (60Vp-p), o NI 9239 (10Vp-p) Módulo de entrada analógica (Conectado al sensor de corriente)

•Sensor de Corriente (uno por fase)

Este sistema recomendado puede medir una fase-sencilla de dos cables, fase-sencilla 3 cables ó un sistema trifásico de 3 cables. Él NI 9225, NI 9229, y él NI 9239 tienen convertidores analógico-digital (ADC) de 24 bits de resolución para adquirir datos a 50kS/s lo cual es importante si se requiere hacer los cálculos para transitorias y harmónicas. Estos módulos no son solo de muestreo simultáneo (un ADC por canal), sino que también son sincronizados dentro del plano trasero lo cual es crítico cuando se mide el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje en una solo línea.

Cálculos de Software para sistemas de prueba o control flexibles y expandibles

Las funciones de análisis para todos los cálculos de potencia fundamentales discutidos en este documento pueden ser encontrados en los recursos disponibles en línea del kit Electrical Power Measurements. Estas funciones comunes incluyen:

•Calculo de Fasor de Voltaje and Corriente (Valor RMS cortado con el ángulo de fase)

•Diagrama de Fasor

•Power Data.vi

         o   Potencia Real (Watts)

         o   Potencia Aparente (VA)

         o   Potencia Reactiva (VAR)

         o   Factor de Potencia

DEFINICION

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.

Los valores de los transformadores de corriente son:

Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función.

Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.

Usualmente estos dispositivos vienen con un amperímetro adecuado con la razón de transformación de los transformadores de corriente, por ejemplo: un transformador de 600/5 está disponible con un amperímetro graduado de 0 - 600A.

Definición de un transformador de corriente

Un transformador de corriente utiliza el campo magnético de una corriente alterna a través de un circuito para inducir una corriente proporcional en un segundo circuito. Las funciones principales de un transformador de corriente son: medir la corriente, aumentarla o disminuirla (a menudo, esto último) y transmitir corriente a los controladores del sistema protector.

ImportanciaLos transformadores de corriente son componentes integrales de la distribución de la red eléctrica, de la protección de sobrecarga y de la medición de uso. Estos transformadores permiten la transmisión a larga distancia de energía eléctrica a costos más reducidos y mayor eficacia. Además, estos aparatos son elementos fundamentales de los interruptores con detección de falla a tierra (disyuntores GFCI - por sus siglas en inglés) y suministros de energía para los aparatos eléctricos.

FunciónLos transformadores de corriente realizan funciones de medición, supervisión y control de circuito al transmitir una corriente reducida a los equipos. Los transformadores que realizan dichas funciones también son conocidos como transformadores de medida. Los transformadores de energía grandes disminuyen la corriente para transmitir energía en líneas de transmisión. Aquellos transformadores que aumentan la corriente para distribuirla son conocidos como transformadores de distribución.

Características

Un transformador de corriente se construye con un núcleo, en general de acero, enrollado por bobinas primarias y secundarias que están aisladas entre sí y del núcleo. La bobina con más vueltas tiene un voltaje mayor y una corriente menor que la que tiene menos vueltas. La que se encuentra en contacto con la fuente de energía se conoce como bobina primaria; la secundaria es aquella con corriente inducida. El transformador conserva la energía; el producto del voltaje y la corriente en la bobina primaria es igual al producto del voltaje y la corriente a través de la bobina secundaria. Por este motivo, el efecto del transformador sobre el voltaje es inverso a su efecto sobre la corriente. Los transformadores de corriente se instalan en series con el circuito. Los transformadores de voltaje se instalan en paralelo.

EfectosLas bobinas primaria y secundaria de un transformador están eléctricamente aisladas. El campo magnético de la primera bobina induce corriente en la segunda bobina. La corriente resultante en la segunda bobina depende de la fuerza del campo magnético y del número de vueltas en la bobina. La corriente a lo largo de la segunda bobina es proporcional de manera predecible a la corriente a lo largo de la bobina primaria, basada en la proporción de vueltas entre la primera y la segunda bobina.

TamañoLas corrientes primarias y secundarias se expresan como la proporción de vueltas que varía entre 1:10 y más de 1:1000 en los transformadores comerciales disponibles. Lostransformadores pueden variar en tamaño desde algunos que son más pequeños que un mazo de cartas en el suministro de energía de un electrodoméstico, hasta transformadores de aumento masivo tan grandes como una casa en los generadores de energía de red. Lostransformadores de energía grandes son aquellos especificados para 500 kilovoltio-amperios (KVA) o más.

TiposLos transformadores de corriente pueden ser clasificados en transformadores de aislamiento, de barra o de ventana, dependiendo del método de conexión al conductor de energía. El de aislamiento se usa en disyuntores GFCI mientras que el de ventana se usan a menudo en los cables de la luz.

G.- TRANSFORMADORES DE CORRIENTE.

En esta sección se presentan los parámetros mas importantes en la definición de los Transformadores de Corriente, así como las diferentes funciones que desempeñan y sus opciones.

DEFINICIONES IMPORTANTES RELACIONADAS CON LOS TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

a) Relación (Ratio). Es la relación de la corriente nominal de servicio del transformador y su corriente nominal en el secundario, el estándar más usado es de 5 Amps. en el secundario.

b) Precisión (Accuracy). Es la relación en porciento, de la corrección que se haría para obtener una lectura verdadera. El ANSI C57.13-1968 designa la precisión para protecciones con dos letras C y T. "C" significa que el porciento de error puede ser calculado, y esto se debe a que los devanados están uniformemente distribuidos, reduciendo el error producido por la dispersión del flujo en el núcleo.

"T" significa que debe ser determinado por medio de pruebas, ya que los devanados no están distribuidos uniformemente en el núcleo produciendo errores apreciables.

El número de clasificación indica el voltaje que se tendría en las terminales del secundario del TC para un burden definido, cuando la corriente del secundario sea 20 veces la corriente nominal, sin exceder 10% el error de relación.

c) Burden o Potencia Nominal de un Transformador de Corriente. Es la capacidad de carga que se puede conectar a un transformador, expresada en VA o en Ohms a un factor de potencia dado. El término "Burden" se utiliza para diferenciarlo de la carga de potencia del sistema eléctrico. El factor de potencia referenciado es el del burden y no el de la carga.

d) Polaridad. Las marcas de polaridad designan la dirección relativa instantánea de la corriente. En el mismo instante de tiempo que la corriente entra a la terminal de alta tensión con la marca, la corriente secundaria correspondiente esta saliendo por la terminal marcada.

e) Capacidad de Corriente Continua. Es la capacidad de corriente que el TC puede manejar constantemente sin producir sobrecalentamiento y errores apreciables. Si la corriente del secundario de un transformador de corriente esta entre 3 y 4 Amps., cuando la corriente del primario esta a plena carga, se dice que el transformador esta bien seleccionado. No se recomienda sobre dimensionar los TC's porque el error es mayor para cargas bajas.

f) Capacidad de Corriente Térmica de Corto Tiempo. Esta es la máxima capacidad de corriente simétrica RMS que el transformador puede soportar por 1 seg., con el secundario en corto, sin sobrepasar la temperatura especificada en sus devanados. En la práctica esta se calcula como:

I Térmica (KA) = Potencia de Corto Circuito (MVA)/ (1.73* Tensión (KV)).

Como la potencia de precisión varía sensiblemente con el cuadrado del número de Ampere-Vueltas del primario, para un circuito magnético dado, la precisión de los TC's hechos para resistir grandes valores de corrientes de corto circuito, disminuye considerablemente

g) Capacidad Mecánica de Tiempo Corto. Esta es la máxima corriente RMS asimétrica en el primario que el TC puede soportar sin sufrir daños, con el

secundario en corto. Esta capacidad solo se requiere definir en los TC tipo devanado. En la práctica esta corriente se calcula como:

I Dinámica (KA) = 2.54 * I Térmica

BASES GENERALES PARA EL DISEÑO Y SELECCIÓN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

La función de un transformadores de corriente es la reducir a valores normales y no peligrosos, las características de corriente en un sistema eléctrico, con el fin de permitir el empleo de aparatos de medición normalizados, por consiguiente más económicos y que pueden manipularse sin peligro.

Un transformador de corriente es un transformador de medición, donde la corriente secundaria es, dentro de las condiciones normales de operación, prácticamente proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ángulo cercano a cero, para un sentido apropiado de conexiones.

El primario de dicho transformador está conectado en serie con el circuito que se desea controlar, en tanto que el secundario está conectado a los circuitos de corriente de uno o varios aparatos de medición, relevadores o aparatos análogos, conectados en serie.

Un transformador de corriente puede tener uno o varios devanados secundarios embobinados sobre uno o varios circuitos magnéticos separados.

Los factores que determinan la selección de los transformadores de corriente son:

- El tipo de Transformador de Corriente.

- El tipo de instalación.

- El tipo de aislamiento.

- La potencia nominal.

- La clase de precisión.

- El tipo de conexión.

- La Corriente Nominal Primaria.

- La Corriente Nominal Secundaria.

Tipo de Transformador de Corriente. Existen tres tipos de TC según su construcción:

a) Tipo devanado primario. Este como su nombre lo indica tiene mas de una vuelta en el primario. Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. Esta construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.

b) Tipo Barra. Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. El devanado primario, consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo.

c) Tipo Boquilla (Ventana o Bushing). El devanado secundario está completamente aislados y ensamblado permanentemente a un núcleo

laminado. El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.

Tipo de Instalación. Los aparatos pueden ser construidos para ser usados en instalaciones interiores o exteriores. Generalmente, por razones de economía, las instalaciones de baja y media tensión, hasta 25 KV., son diseñadas para servicio interior. Las instalaciones de tipo exteriores son de tensiones desde 34.5 KV a 400 KV., salvo en los casos donde, por condiciones particulares se hacen instalaciones interiores para tensiones hasta 230 KV. Es conveniente examinar además, el tipo de TC que se pueda instalar, dependiendo de las facilidades de mantenimiento.

Tipo de Aislamiento. Los materiales que se utilizan. para el aislamiento dependen del voltaje del sistema al que se va a conectar, la tensión nominal de aislamiento debe ser al menos igual a la tensión mas elevada del sistema en que se utilice. Los tipos de aislamiento se divide en tres clases:

a) Material para baja tensión. Generalmente los TC's son construidos con aislamiento en aire o resina sintética, suponiéndose que lo común son las instalaciones interiores.

b) Material de media tensión. Los transformadores para instalaciones interiores (tensión de 3 a 25 KV) son construidos con aislamiento de aceite con envolvente de porcelana (diseño antiguo), o con resina sintética (diseño moderno).

Hay que hacer notar que la mayoría de los diseños actuales emplean el material seco, los aparatos con aislamiento en aceite o masa aislante (compound) se utilizan muy poco y sólo para instalaciones existentes.

Los aparatos para instalaciones exteriores son generalmente construidos con aislamiento porcelana-aceite, aunque la técnica mas moderna está realizando ya aislamientos en seco para este tipo de transformadores.

c) Materiales para alta tensión. Los transformadores para alta tensión son aislados con papel dieléctrico, impregnados con aceite y colocados en una envolvente de porcelana.

Es importante definir la altitud de la instalación sobre el nivel del mar, ya que las propiedades dieléctricas de los materiales y del aire disminuyen con la altitud. Normalmente todos los equipos se diseñan para trabajar hasta 1000 Mts sobre el nivel del mar, si la altitud es mayor el nivel de aislamiento debe ser mayor.

Potencia Nominal. La potencia nominal que se debe seleccionar para los transformadores de medición, está en función de la utilización a que se destina el aparato.

Para escoger la potencia nominal de un transformador de corriente, se hace la suma de las potencias nominales de todos los aparatos conectados al secundario. Se debe tener en cuenta por otro lado, la impedancia de las líneas, si las distancias entre los transformadores y los instrumentos de medición, son importantes. Se escoge la potencia normal inmediata superior a la suma de las potencias. Los valores normales de las potencias de precisión y de sus factores de potencia, según ANSI, están dados en la Tabla G.1.

Tabla G.1

Cargas Normalizadas para Transformadores de Corriente

Según Normas ANSI C.57.13

Corriente Secundaria de 5 Amps.

Designación de Carga

Resistencia

ohms

Inductancia

mHenrys

Impedancia

ohms

Volt-Amper

es

a 5 Amps.

Factor de

Potencia

Cargas de Medición

B-0.1 0.09 0.116 0.1 2.5 0.9

B-0.2 0.18 0.232 0.2 5.0 0.9

B-0.5 0.45 0.580 0.5 12.5 0.9

B-0.9 0.81 1.04 0.9 22.5 0.9

B-1.8 1.62 208 1.8 45.0 0.9

Cargas de Protección

B-1 0.5 2.3 1.0 25 0.5

B-2 1.0 4.6 2.0 50 0.5

B-4 2.0 9.2 4.0 100 0.5

B-8 4.0 18.4 8.0 200 0.5

Clases de Precisión. Las clases de precisión normales para los transformadores de corriente son: 0.10, 0.02, 0.30, 0.50, 0.60, 1.20, 3.00 y 5.00 de acuerdo con las normas ANSI pero depende de las normas usadas. En las Tablas G.2 y G.3 se tienen las diferentes clases de precisión de los instrumentos normalmente conectados y las potencias comunes de sus bobinados.

Tabla G.2

Clase Utilización

0.10 Calibración.

0.20-0.30 Mediciones en Laboratorios, Alimentación de Integradores para

Sistemas de Potencia.

0.50-0.60

Instrumentos de Medición e Integradores. Watthorímetros para

Facturación

1.20-3.00

Ampermetros de Tableros.

Ampérmetros de Registradores.

Wattmetros de Tableros.

Watthorímetros Indicadores.

Fasómetros Indicadores.

Fasómetros Registradores

Fercuencímetros de Tableros.

Protecciones Diferenciales.

Relevadores de Impedancia.

Relevadores de Distancia, etc.

5.00Relevadores de Protección en

general.

 

Tabla G.3

Consumos Propios de los Aparatos Alimentados por

Transformadores de Corriente

Aparatos Modelo

Consumo Aproximado en VA

para intensidad nominal.

Wattmetros de Tablero

Wattmetros Registradores

Wattmetros Portátiles

Wattmetros de Laboratorio

A Inducción

Electrodinámico

A Inducción

Electrodinámico

Electrodinámico

1.5-3.0

4.0-5.0

1.5-2.0

6.0-8.0

1.0-4.0

1.5-3.0

Medidores de Desfase

Fasómetros

6.0-16

10-18

Watthorímetros 0.5-1.5

Relevadores

De corriente máxima con

atraso independiente

Especiales de corriente máxima

con atraso independiente

De máxima instantánea

Direccional

3.0-10

15-25

1.0-10

1.5-10

Relevadores

Diferencial compensado

Diferencial

A mínima impedancia

De distancia

1.6-10

3.0-12

0.5-2.0

6.0-20

Reguladores Según Modelo 10-150

El tipo de conexión. Hay tres formas en las que normalmente se conectan los secundarios de los transformadores de corriente, en circuitos trifásicos: 1) en estrella; 2) en delta abierta o V y 3) en delta.

1) Conexión en estrella. En esta conexión se colocan tres transformadores de corriente, uno en cada fase, con relevadores de fase en dos o tres de las fases para detectar fallas de fase. En sistemas aterrizados, un relevador conectado en el común de los tres TC's detecta cualquier falla a tierra o por el neutro. En sistemas no aterrizados conectados de la misma forma puede detectar fallas a tierra múltiples de diferentes alimentadores. Las corrientes en el secundario están en fase con las del primario.

2) Conexión en delta abierta. Esta conexión es básicamente la misma que la conexión en delta pero con una pierna faltante, usando solo dos TC's. Con esta conexión se puede lograr una protección contra falla entre fases, en las tres fases, pero solo ofrece protección de fallas a tierra para las fases en que se tiene TC y si el ajuste del relevador esta por debajo de la magnitud de la falla. En esta conexión las corrientes del secundario están en fase con las del primario. Ya que, con esta conexión no es posible detectar las fallas de secuencia cero, rara vez se usa como única protección del circuito. Frecuentemente se acompaña con un TC de secuencia cero tipo dona. Este TC de secuencia cero se puede aplicar en sistemas aterrizados o flotados, y como estos transformadores y sus relevadores asociados no son sensibles a las corrientes de fase, estos pueden ser de relativa baja capacidad, por lo mismo pueden ser muy sensibles a fallas a tierra.

3) Conexión en delta. Esta configuración utiliza tres transformadores de corriente, pero a diferencia de la conexión en estrella, los secundarios de interconectan antes de conectarlos a los relevadores. Este tipo de conexión se

utiliza para la protección diferencial de transformadores de potencia. La conexión en delta de los TC's se utiliza en el lado del transformador de potencia conectado en estrella, y la conexión en estrella de los TC's se usa en el lado del transformador conectado en delta.

La Corriente Nominal Primaria. Se escoge generalmente el valor normalizado superior a la corriente nominal de la instalación. La corriente nominal se calcula con la siguiente fórmula

In = Potencia Aparente Trifásica / (1.73* Voltaje de Línea)

En ciertos TC's se cuenta con doble o triple relación primaria, ya sea por medio de conexión serie-paralelo, o por medio de tomas en los bobinados secundarios. En la Tabla G.4 se tiene las relaciones normales de diferentes tipos de TC's.

Tabla G.4

Capacidad de Transformadores de

Corriente de Relación Múltiple

Tipo Boquilla

Capacidad de Transformadores de Corriente Diferentes a los de

Relación Múltiple

Tipo Boquilla

Capacidad de Corriente

Amps.

Derivaciones en el

Secundario

Relación Sencilla

Amps.

Relación Doble con Bobinados Serie-Paralelo

Amps.

Doble Relación

con Derivacion

es en el Secundari

o

Amps.

600/5 50/5 X2-X3 10/5 25 X 50/5 25/50/5

100/5 X1-X2 15/5 50 X 100/5 50/100/5

150/5 X1-X3 25/5100 X 200/5 100/200/5

200/5 X4-X5 40/5200 X 400/5 200/400/5

250/5 X3-X4 50/5400 X 800/5 300/600/5

300/5 X2-X4 75/5600 X 1200/5 400/800/5

400/5 X1-X4 100/51000 X 2000/5 600/1200/5

450/5 X3-X5 200/5 2000 X 1000/2000/

4000/5 5

500/5 X2-X5 300/51500/3000/

5

600/5 X1-X5 400/52000/4000/

5

1200/5 100/5 X2-X3 600/5

200/5 X1-X2 800/5

300/5 X1-X3 1200/5

400/5 X4-X5 1500/5

500/5 X3-X4 2000/5

600/5 X2-X4 3000/5

800/5 X1-X4 4000/5

900/5 X3-X5 5000/5

1000/5 X2-X5 6000/5

1200/5 X1-X5 8000/5

2000/5 300/5 X3-X4 12000/5

400/5 X1-X2

500/5 X4-X5

800/5 X2-X3

1100/5 X2-X4

1200/5 X1-X3

1500/5 X1-X4

1600/5 X2-X5

2000/5 X1-X5

3000/5 1500/5 X2-X3

2000/5 X2-X4

3000/5 X1-X4

4000/5 2000/5 X1-X2

3000/5 X1-X3

4000/5 X1-X4

5000/5 3000/5 X1-X2

4000/5 X1-X3

5000/5 X1-X4

La Corriente Nominal Secundaria. El valor normalizado es generalmente 5 Amps.; en ciertos casos, cuando el alambrado del secundario puede representar una carga importante, se puede seleccionar el valor de 1 Amp.

PARÁMETROS PRINCIPALES EN LA DEFINICIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE CORRIENTE.

A continuación se presentan los parámetros necesarios para la especificación completa de un transformador de corriente, una descripción del parámetro y las posibles opciones de selección.

Descripción

Vn

Opción para

Selección

BIL

Opción para

Selección

ITérmica

Opción para

Selección

IDinámica

Opción para

Selección

VnVoltaje Nominal de

Aislamiento Volts KVoltsKAmps

. KAmps.

Debe ser cuando menos igual a la tensión más elevada del sistema

en que se utilice. 600 10 3 4

R Relación de Corriente 1,200 30 6 8

Ver Tabla G.4 2,500 45 10 12

BIL

Nivel básico de aislamiento al impulso 5,000 60 20 15

Este parámetro es un nivel de aislamiento de voltaje de

referencia expresado como el voltaje de cresta de una forma

impulso estandarte no mayor de 1½ x 40 µseg.

8,700 75 25 24

I Térmica15,000

L 95 50 30

Esta es la máxima capacidad de corriente simétrica RMS que el transformador puede soportar

por 1 seg., con el secundario en corto, sin sobrepasar la

temperatura especificada en sus devanados. En la práctica esta se

calcula como:

I Térmica (KA) = Potencia de Corto Circuito (MVA)/ (1.73*

Tensión (KV))

Nota: Como la potencia de precisión varía sensiblemente con

el cuadrado del número de Ampere-Vueltas primario, para un

circuito magnético dado, la precisión de los TC's hechos para

resistir grandes valores de corrientes de corto circuito,

disminuye considerablemente.15,000

H 110 63 60

I Dinámica 25,000 150 78 120

Esta es la máxima corriente RMS asimétrica en el primario que el

TC puede soportar sin sufrir daños, con el secundario en corto. Esta capacidad solo se requiere definir en los TC tipo devanado. En la práctica esta

corriente se calcula como:

I Dinámica (KA) = 2.54 * I Térmica 34,500 200 90

46,000 250

69,000 350

92,000 450

115,000 550

138,000 650

161,000 750

196,000 900

230,000 1,050

287,000 1,300

DescripciónOpción para

Selección

Clase de Precisión

Las clases de precisión normales para los transformadores de

corriente son: 0.10, 0.20, 0.30, 0.50, 0.60, 1.20, 3.00 y 5.00 de acuerdo con las normas ANSI pero depende

de las normas usadas. En las Tablas G.2 y G.3 se tienen las diferentes clases de precisión de los

instrumentos normalmente conectados y las potencias comunes

de sus bobinados.

Potencia Nominal

Para escoger la potencia nominal de un transformador de corriente, se

hace la suma de las potencias nominales de todos los aparatos

conectados al secundario. Se debe tener en cuenta por otro lado, la impedancia de las líneas, si las

distancias entre los transformadores y los instrumentos de medición, son importantes. Se escoge la potencia

normal inmediata superior a la suma de las potencias. Los valores

normales de las potencias de precisión y de sus factores de

potencia, según ANSI, están dados en la Tabla G.1.

Tipo de Transformador de Corriente

Tipo devanado primario.

Tipo Barra.

Tipo Boquilla (Ventana o

Bushing).

Tipo de AislamientoResina

Sintética

Aceite con Envolvente

de Porcelana

Papel Dieléctrico,

Impregnados con Aceite y colocados en

una Envolvente

de Porcelana.

Funcionamiento de un transformador eléctrico de potencia

Para poder comprender el funcionamiento de un transformador se examinará el de construcción más elemental.

Un circuito magnético simple, constituido por dos columnas y dos culatas, en el que han sido arrollados dos circuitos eléctricos:

- Uno, constituido por una bobina de N1 espiras, es conectado a la fuente de corriente alterna y recibe el nombre de primario.

- Otro constituido por un bobinado de N2 espiras, permite conectar a sus bornes un circuito eléctrico de utilización (la carga) y recibe el nombre de secundario.

Al alimentar el bobinado primario con una fuente de voltaje alterno, por él (el bobinado) circulará una corriente eléctrica alterna (I1), que produce una fuerza magnetomotriz que causa que se establezca un flujo de líneas de fuerza alterno (Ф1) en el circuito magnético del transformador.

El flujo Ф1 al estar canalizado en el núcleo, induce en las espiras del bobinado secundario una fuerza electromotriz (E2).

Las espiras del bobinado primario también están en la influencia del Ф1. por lo tanto en ellas se va a inducir una fuerza contraelectromotriz (E1), que se opone al voltaje de alimentación, dando como resultado una disminución de la intensidad de corriente I1

Cuando se le aplica carga (R) al bobinado secundario, circula por él la intensidad de corriente I2, la cual produce el flujo magnético Ф2, opuesto al Ф1, por lo tanto reduce el flujo resultante en el núcleo dando como resultado que la fuerza contraelectromotriz disminuya y la intensidad de corriente I1 aumente.

Se observa como un aumento de la corriente en el secundario (I2) provoca un aumento de la corriente en el primario (I1), sin que exista conexión eléctrica entre ambos bobinados.

Dado que la fuerza contraelectromotriz es directamente proporcional al flujo inductor (Ф1), al disminuir éste, por la contraposición del Ф2, se da un incremento en la corriente I1.

Relación de voltajes, corrientes, potencias en un transformador eléctrico

El transformador eléctrico es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna (VAC) que le llega a su entrada, en otro voltaje tambièn en corriente alterna de diferente amplitud, que entrega a su salida.

Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor.

Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan:- Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y- Bobina secundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.

La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna.

Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje.

En este bobinado secundario habría una corriente si hay una carga conectada (el secundario conectado por ejemplo a un resistor)

La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula:

Entonces: Vs = Ns x Vp / Np

Un transformador eléctrico puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. Si se supone que el transformador eléctrico es ideal. (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras), entonces:

Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps

Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula.

Potencia = voltaje x corrienteP = V x I (en watts)

Aplicando este concepto al transformador eléctrico y como

P(bobinado pri) = P(bobinado sec)

Entonces la única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa.

Entonces:

Así, para conocer la corriente en el secundario (Is) cuando tengo:- Ip (la corriente en el primario),- Np (espiras en el primario) y- Ns (espiras en el secundario)se utiliza siguiente fórmula: Is = Np x Ip / Ns

Circuitos equivalentes de un transformador

TRANSFORMADOR EELCTRICO

Normalmente en los diseños y análisis donde se utilizan transformadores, es muy común utilizar las características de éste como si fuera transformador ideal. Esto significa que:

- No tiene pérdidas por calor- No hay caídas de voltaje en los bobinados de los arrollados- No hay capacitancias debido a los bobinados- No hay pérdidas por histéresis en el núcleo, etc.

Lo anterior no siempre es conveniente y a veces es necesario tomar en cuenta estos parámetros. Para ésto se utilizan circuitos equivalentes del transformador.

Para transformadores de potencia o de audio

Los valores son:- Rp: es la resistencia del bobinado primario medida directamente con un multímetro.- Rs: es la resistencia del bobinado secundario medida directamente con un multímetro.

En este caso el efecto piel se puede despreciar (el efecto piel causa que el valor de la resistencia se incremente dependiendo de las dimensiones del conductor)

Lp y Ls (los bobinados primario y secundario) se comportan como en un transformador ideal.

Esto significa que:- Cualquier tensión que haya en el bobinado primario aparecerá en el secundario modificado en un factor 1/n.- Cualquier corriente que haya en el bobinado secundario aparecerá en el secundario modificada en un factor n.- Una impedancia a través de Ls se refleja en Lp multiplicada por un factor igual a 1/n 2 . (ver transformador ideal)

Donde n: es la razón de transformación o razón de vueltas entre los bobinados primario y secundario.

La resistencia Rh representa las pérdidas por histéresis en el núcleo. Usualmente es varias veces mayor en magnitud que la reactancia XLp. (reactancia del bobinado primario). Dependiendo de su magnitud se podría despreciar.

Para transformadores de vídeo y RF

En este caso el efecto piel no es despreciable y hace que los valores de Rs y Rp sea mayores que los valores de medición directa en los bobinados.

Se supone que son transformadores que no tienen un acoplamiento magnético perfecto debido a que tienen núcleo de aire o ferrita.

El subíndices k indica acoplamiento y el subíndice L fugas en las reactancias. Así:- LP = LPL + LPk

- LS = LSL + LSk

- k = LPk / LP = LSk / LS

Valores de k (índice de acoplamiento) para transformadores con núcleo de aire:

- k = 0.95 : cuando el arrollamiento de los bobinados están juntos (dos cables arrollados juntos)- k = 0.90: cuando el arrollamiento primario está sobre el arrollamiento secundario- k = 0.35: cuando los arrollamiento están uno después del otro y su longitud es igual a la mitad del diámetro- k = 0.10: cuando los arrollamiento están uno después del otro y su longitud es igual a 2 diámetros

CP y CS representan las capacitancias de los arrollamientos que van de 0.01 a 0.02 pF por vuelta.

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AutotransformadoresAUTOTRANSFORMADOR

Los autotransformadores son transformadores donde una parte del devanado es común tanto al primario como al secundario.

El principio de funcionamiento es el mismo que el de el transformador común, entonces la relación de transformación entre las tensiones y las corrientes y el número de vueltas se mantiene.

Las corrientes primaria y secundaria están en oposición y la corriente total que circula por las espiras en común es igual a la diferencia de la corriente del devanado de baja tensión y el devanado de alta tensión.

Para que un autotransformador funcione adecuadamente, los dos devanados deben tener el mismo sentido de bobinado.

Autotransformadores reductores

- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión.

En este caso la relación de vueltas del autotransformador es: Ns / Np < 1

Autotransformadores elevadores

- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión.

En este caso la relación de vueltas del autotransformador es: Ns / Np > 1

Los autotransformadores tienen la ventaja sobre los transformadores comunes, de un peso y costo menor. En lugar de tener un bobinado de alta tensión de N1 espiras, se debe preveer, para el bobinado de baja tensión, con un número N2 de espiras, un número de espiras adicional de N1 - N2.

También hay que tomar en cuenta que el conductor de la sección común del bobinado, debe de tener una sección de cobre en función de la diferencia de corrientes entre baja y alta tensión.

Otra ventaja es la de no necesitar aislamiento entre los bobinados primario y secundario. Sin embargo esto trae la desventaja de que el bobinado primario no es independiente del secundario.

Esto causa peligro para una persona, pues entre tierra y el hilo común del secundario y el primario, existe la tensión del primario. Ver diagrama del autotransformador reductor.

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