REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULARPARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN BARINAS

UNIDAD VI PARARRAYOS, TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y POTENCIAL

Autor: Juan Ávila

Docente Asesor: José Hernández

Barinas, Febrero 2016

INTRODUCCIÓN

En los sistemas eléctricos de corriente alterna se manejan normalmente

diferencias de potencial e intensidades de corriente considerablemente altas, por

ello y para proteger al personal y aislar eléctricamente de los equipos primarios,

los equipos de medición y protección, es que estos son alimentados por

magnitudes proporcionalmente menores, copiadas fielmente del sistema a través

de dispositivos especiales llamados transformadores de instrumentos.

La relación de las magnitudes de corriente y potencial logra también una

disminución de niveles de aislamiento y capacidad y por lo mismo, del tamaño y

costo del equipo. El comportamiento y la selección de los transformadores de

instrumentos es crítico para la protección y medición, ya que esta será solo tan

eficientemente exacta como lo sean estos según los parámetros eléctricos que se

manejen.

Existen dos tipos de transformadores de instrumentos: los transformadores de

corriente y los transformadores de potencial, este documento pretende enfocarse

más a los transformadores de corriente o más bien conocidos como “TC”,

iniciando con una breve descripción del circuito equivalente, sus condiciones de

operación normales, condiciones de operación anormales, detallando un poco

unos conceptos como corriente de magnetización y saturación que son

indispensables para comprender el funcionamiento de los TC, así como los tipos

de transformadores de corriente según su construcción y según su aplicación ya

sea para medición o protección, especificaciones generales de un TC entre las

cuales se mencionan los aislamientos de porcelana o aceite, potencia y carga

admisible según la clase de TC, se detallan también las respectivas conexiones

tanto en estrella y en delta, además de describir la manera en que se puede

conectar el primario para modificar la relación de transformación y finalizando con

las especificaciones para la Elección de un transformador de corriente.

PARARRAYOS

El pararrayos tiene una función principal que cumplir, que es la de proteger la

instalación eléctrica (transformador, interruptor, conductores de línea, etc.) contra

sobretensiones de origen externo o interno, a la vez que absorbe parte de su

energía. Los pararrayos de cuernos (antenas) van siendo reemplazados por el tipo

auto válvulas, también llamado resistencia valvular y descargador de sobretensión.

Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizado del

aire para conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a las

personas o construcciones. Fue inventado en 1752 por Benjamín Franklin. El

primer modelo se conoce como «pararrayos Franklin», en homenaje a su inventor.

En la elección de un pararrayos influyen considerablemente las características

del tipo de instalación que ha de proteger. Entre los factores que se deben tener

en cuenta se pueden citar: altura sobre el nivel del mar, frecuencias anormales,

etc.

En 1749 Benjamín Franklin inició sus experimentos sobre la electricidad; defendió

la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico y propuso un método

efectivo para demostrarlo. En 1749 inventó el pararrayos en América1 y quizás,

independientemente, también fue inventado por Prokop Diviš en Europa en 1754.2

En 1752 Franklin publicó en Londres, en su famoso almanaque (Poor Richard’s

Almanack), un artículo donde propuso la idea de utilizar varillas de acero en punta,

sobre los tejados, para protegerse de la caída de los rayos. Su teoría se ensayó

en Inglaterra y Francia antes incluso de que él mismo ejecutara su famoso

experimento con una cometa en 1752. Inventó el pararrayos y presentó la llamada

teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la

positiva y negativa.

A partir de entonces nacieron los pararrayos que, contrariamente a lo que

indica su nombre, se diseñaron para excitar y atraer la descarga y luego

conducirla a tierra, lugar donde no ocasiona daños. La confianza de protección era

tan grande en la sociedad que, inconscientemente, no contemplaban sus riesgos,

e incluso llegaron a diseñarse estéticos paraguas con pararrayos incorporado.

En 1753, el ruso Georg Wilhelm Richmann siguió las investigaciones de

Franklin para verificar el efecto de protección, pero en su investigación un impacto

de rayo lo fulminó cuando éste fue excitado y atraído por el pararrayos, y recibió

una descarga eléctrica mortal cuando manipulaba parte de la instalación del

pararrayos.

En 1919 Nikola Tesla definió correctamente el principio de funcionamiento del

pararrayos, y rebatió las teorías y la técnica de Benjamín Franklin y su patente.

Desde entonces, la industria del pararrayos ha evolucionado y se fabrican

modelos de distinto diseño, como pararrayos de punta simple, pararrayos con

multipuntas o pararrayos con punta electrónica, pero todos con el mismo principio

físico de funcionamiento: ionizar el aire a partir de un campo eléctrico natural

generado en el suelo por la tormenta, con el principio de excitar y captar los rayos

que pudieran caer en la zona que se desea proteger. Una instalación de

pararrayos está compuesta, básicamente, de tres elementos: un electrodo

captador (pararrayos), una toma de tierra eléctrica y un cable eléctrico para

conducir la corriente del rayo, desde el pararrayos a la toma de tierra.

PARARRAYO DE CARBURO DE SILICIO

El pararrayo de SiC tiene resistencias no lineales de carburo de silicio en serie

con los explosores metálicos, ambos dentro de una porcelana cilíndrica hueca y

con tapas o bridas en ambos extremos de la porcelana. En la foto se observa uno

del tipo de Carburo de Silicio tipo estación.

PARARRAYO DE OXIDO DE ZINC

El pararrayo de ZnO tiene resistencias no lineales de óxidos metálicos,

principalmente, el óxido de zinc y no tiene explosores.

Los varistores (resistor variable) están dentro de una envolvente que puede ser

de porcelana o polimérica, la cual está sellada en ambos extremos por tapas o

bridas.

El pararrayos de SiC es de una tecnología vieja y poco recomendable. La

CREG en Resolución No. 098 (Diciembre 11 de 2000)en el numeral 2.4 referente

al tema de aislamiento, dice: “No se permite el uso de pararrayos de carburo silicio

en ningún punto como protección de las nuevas líneas de transmisión”. Con lo

anterior queda prohibido el uso de pararrayos de SiC.

Diferencias entre los pararrayos de sic y los de zno

Los problemas que existían con los explosores serie, ya no se tienen en los de

ZnO. La construcción de los de ZnO es más simple y como tiene menos piezas, la

confiabilidad es mayor. Lo anterior, establece diferencias constructivas entre los

dos tipos de fabricación.

La diferencia en las características de los materiales (SiC y ZnO) es

significativa: Los discos o bloques hechos de ZnO, exhiben una característica no

lineal muy superior a los de SiC. Debido a esta característica, los pararrayos de

ZnO no requieren los explosores.

La característica no lineal del zno, permite lograr niveles de protección mejores

que los de SiC.

Los pararrayos de zno, tienen mayor capacidad de absorción de energía, lo

cual permite realizar la protección contra sobretensiones de maniobra, esto no era

posible con los de SiC.

ESPECIFICACIONES

Tensión Residual

La tensión residual es la caída de tensión que se produce en el circuito de

conmutación cuando el dispositivo de salida está activado y por él circula la

intensidad de carga nominal, puede estar en torno a los 2.5 V. es la tensión que

aparece entre el terminal de línea y el terminal de tierra de un pararrayos durante

el paso de la corriente de descarga.

Tensión Nominal

Es el valor más elevado de la tensión eficaz a frecuencia industrial admisible

entre bornes del pararrayos

Tensión De Arranque

Es el valor cresta de la tensión que aparece antes del paso de la corriente de

descarga

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

La función de unos 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.

CORRIENTE TÉRMICA Y DINAMICA

Térmica

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.

Dinámica

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

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

Clase de Precisión según su construcción

Tipo devanado primario

Este como su nombre lo indica tiene más 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.

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.

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.

Nota: 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.

Tabla de precisiónClase Utilización

0.10 Calibración

0.20-0.30 Mediación 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 Amperímetros de Tableros.

Amperímetros de Registradores.

Wattmetros de Tableros.

Watthorímetros Indicadores.

Fasómetros Indicadores.

Fasómetros Registradores

Frecuencímetros de Tableros.

Protecciones Diferenciales.

Relevadores de Impedancia.

Relevadores de Distancia, etc.

5.00 Relevadores de Protección en

general.

SEGÚN AISLAMIENTO PARA AT, MT Y BT

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 más elevada del sistema en que se utilice. Los tipos de

aislamiento se dividen en tres clases:

Baja Tensión

Generalmente los TC's son construidos con aislamiento en aire o resina

sintética, suponiéndose que lo común son las instalaciones interiores.

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.

Alta Tensión

Los transformadores para alta tensión son aislados con papel dieléctrico,

impregnados con aceite y colocados en una envolvente de porcelana.

SEGÚN SU 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.

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.

NORMAS DE FABRICACIÓN

Los transformadores de corriente deben cumplir con las pruebas y requisitos

establecidos aquí. En caso de discrepancia entre la norma y esta especificación

prevalecerá lo aquí establecido.

Las normas técnicas aplicables en su última versión son:

Norma Descripción

IEC – 60044 Instrument transformer

ANSI/IEEE – C 57.13 Standard Requeriments for instrument transformers

IEC-60 High – voltage Test Techniques

ASTM-A 876 Standard Specification for Flat-Rolled, Grain-Oriented, Silicon-Iron,

Electrical Steel, Fully Processed Types

NORMA ASA AMERICANA

Esta norma hace una diferencia en la clase de precisión de los transformadores

de corriente para el servicio de medición y protección.

Clase de precisión para el servicio de medición: Se toma la medicion apartir

del 100% en la corriente vista en el secundario. Los límites de esta corriente se

fijan a mas menos 10% de I nominal.

Clase de precisión normalizada para protecciones: Las normas ASA han

establecido las clasificaciones de precisión de los transformadores de corriente

para el servicio de protecciones, que consta de 3 factores: el límite de error de

relación porcentual, la clase de funcionamiento del transformador y el valor

nominal de la tensión en los bornes del secundario.

Límite de error porcentual: Los porcentajes máximos de error en la relación de

transformación son del 2.5 al 10%.

Valor nominal de tensión en bornes del secundario: Los valores establecidos

de tensi?n en el secundario son: 10, 20, 50, 100, 400, y 800, correspondiente a

cargas normalizadas USA de 100 A.

Clase de funcionamiento: Se designa con la letra L o H.

L (LOW o baja impedancia): Indica que es capaz de funcionar con cualquier tipo

de carga conectada hasta 20 veces la corriente nominal secundaria.

H (HIGH alta impedancia): Indica que es capaz de producir cualquier tensión de

bornes hasta 20 veces la corriente nominal secundaria.

Por ejemplo, un transformador de corriente 2.5H800, indica un transformador

con clase de precisión de 2.5%, clase de funcionamiento H y tensión máxima

secundaria en bornes secundarios de 800 V.

NORMAS ANSI

Según la norma ANSI debe tomarse en cuenta la siguiente tabla donde se

especifica según la clase de transformador de corriente un valor normado de

Potencia en VA y la carga admisible en ohmios.

CLASE POTENCIA (VA) CARGA ADMISIBLE

C-10 2.5 0.1

C-20 5 0.2

C-50 12.5 0.5

C-100 25 1.0

C-200 50 2.0

C-400 100 4.0

C-800 200 8.0

NORMA VDE

A diferencia de las normas ASA (norma Americana), en la norma Alemana no

se tratan de manera diferente los transformadores de corriente para medida y los

utilizados para protección. La única diferencia que se establece es la clase de

precisión y el índice de sobre corriente.

Las clases de precisión para protecciones son 1 y 3 para transformadores de

hasta 45 KV y 1 para 60 KV hacia arriba.

En la clase de precisión 1 se garantiza esta precisión para corrientes entre 1 y

1,2 veces la corriente nominal, y para cargas secundarias entre el 25% y 100% la

nominal con un Factor de Potencia de 0,80.

En la clase 3 se garantiza esta precisión para corrientes entre 0,5 y 1 veces la

nominal, y para cargas entre el 50 y 100% la nominal con Factor de Potencia de

0,80.El índice de sobre corriente es definido como el múltiplo de la corriente

primaria para el que el error de transformación se hace igual a 10% con la carga

nominal.

NORMAS IEC

En todos los detalles no señalados en esta especificación, los TI’s deben ser

diseñados, fabricados y probados de acuerdo a la serie completa de la norma IEC

- 60044, en su más reciente edición

Para cada tipo de transformador.

• IEC 60044 - 1: Transformadores de corriente.

• IEC 60044 - 2: Transformadores de voltaje inductivos.

• IEC 60044 - 5: Transformadores de voltaje capacitivos.

• IEC 60044 - 6: Requisitos para los transformadores de corriente de protección

para respuesta en régimen transitorio.

• IEC 60815: Guía para la selección de aisladores, respecto a las condiciones de

polución.

• IEC 60296: Especificación del aceite mineral aislante nuevo para equipos

eléctricos.

• IEC 60376: Especificaciones para hexafluoruro de azufre (SF6) de calidad

técnica para uso en equipos eléctrico

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

Los transformadores de potencial podrán ser capacitivos o inductivos de acuerdo

al requerimiento del Cliente y la clase de tensión máxima del equipo solicitado. En

este sentido, para clases de tensión de 72,5kV, se utilizará preferentemente

transformadores inductivos; mientras que para las clases de 145kV y 245kV, se

utilizarán mayoritariamente transformadores capacitivos.

En aquellos casos en que el cliente requiera de transformadores capacitivos, el

proveedor deberá garantizar que el equipo mantiene su precisión para las

condiciones ambientales

Si el requerimiento del Cliente es un transformador para facturación de energía,

el proveedor deberá garantizar que la clase de precisión del equipo se mantiene

durante la vida útil del transformador. Las características de respuesta, en régimen

transitorio y de Ferro resonancia, de los transformadores capacitivos deben estar

de acuerdo con la norma IEC - 60044.

Nota: Cargas normalizadas según ASA La exactitud depende de la carga y por

ello, las normas (ASA, VDE) especifican éstas. Ellas se han elegido para incluir el

rango normal de servicio.

NORMAS ASA

Las normas ASA (C 57.13), clasifican a los TT/PP en 3 clases designadas

como 0,3; 0,6 y 1,2. Estas cifras indican el porcentaje de error máximo que puede

tener la razón del transformador al tener conectada una carga secundaria

normalizada para cualquier voltaje comprendido entre el 90 y el 110% de la

tensión nominal, a la frecuencia nominal y desde funcionamiento en vacío hasta el

correspondiente a plena carga.

Norma Americana ASA

Estas normas han clasificadoras características de precisión de los

transformadores para el servicio con aparatos de medición.

La clase y límites de precisión definidas por norma ASA, pueden verse en la

siguiente tabla.

Tabla: Carga normalizada para transformadores de potencial

Designación de la

carga

Volt amperes

secundarios

Factor de potencia

de la carga

W 12.5 0.1

X 25 0.7

Y 75 0.85

Z 200 0.85

ZZ 400 0.85

 

Tabla 2. Límites del factor de corrección del transformador de potencial

clase de límites del factor de

corrección

Límites del factor de

potencia

precisión del transformador de la carga medida (en

retardo)

Mínimo Máximo Mínimio Máximo

1.2 0.988 1.012 0.6 1

0.6 0.994 1.006 0.6 1

0.3 0.997 1.003 0.6 1

Finalmente con esta normalización los transformadores de potencial se

designan por la clase de precisión y la letra correspondiente a la carga

normalizada para la cual se garantiza la precisión. En un transformador designado

0,6W, el error máximo de la relación de transformación no sobrepasa un 0,6% de

la razón nominal, con un factor de potencia 0,1 y al variar la tensión entre 10%

más y 10% menos de la nominal.

NORMAS VDE

Los transformadores de protección y medida cumplen con las normas

siguientes:

• VDE 0414 “Especificaciones para transformadores de medida”

• VDE 0111 “Coordinación del aislamiento para equipos eléctricos en redes

trifásicas superiores a 1 kV”