Transformadores de Medida y Proteccion Hm

” NUEVAS EXIGENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE

TRANSFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCIÓN ECOLÓGICOS”

2. - MARCO TEÓRICO

Los transformadores de medida son medios de servicio eléctrico que trans-

forman magnitudes eléctricas primarias en otras secundarias apropiadas

para los instrumentos de medida, contadores y relés de protección.

Las características nominales de estos transformadores son:

- Potencia nominal : VA

- Carga nominal (burden) : VA

- Frecuencia nominal : Hz

- Condiciones de servicio : T.amb. Máxima 40°C.

Los transformadores de medida se clasifican en dos tipos:

- Transformadores de corriente

- Transformadores de tensión.

Estos transformadores se utilizan para la alimentación de los diversos apa-

ratos y/o circuitos de control para:

Medir parámetros eléctricos.

Registrar parámetros eléctricos.

Visualizar parámetros eléctricos.

Sistemas de protección, entre otros.

TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS

MEDIDAS ELECTRICAS II HUBER MURILLO MANRIQUE 2

Los transformadores de medida sirven para:

• Medir altas tensiones e intensidades con aparatos de bajo alcance.

• Separar eléctricamente el circuito medido a los aparatos de medida,

permitiendo la realización de medidas en alta tensión y corriente con

aparatos de baja tensión y corriente.

• Poder instalar aparatos de medida en lugares distintos a los del

circuito medido.

• Así evitamos las interferencias provocadas por los campos magnéticos

externos en el trabajo de los aparatos de medida.

• Se aumenta la seguridad del personal y permite la ubicación de los

aparatos

TABLA N° 2.2.- POTENCIA CONSUMIDA POR METRO DE CONDUCTOR

DE COBRE TIPO THW VDE

SECCION (mm²) INTENSIDAD SECUNDARIA INTENSIDAD SECUNDARIA

5A (VA/m) 1A (VA/m)

2.5 0.18 0.007

4 0.11 0.0044

6 0.07 0.0029

10 0.044 0.00175

TABLA N° 2.3.- CLASES DE PRECISION NORMALIZADAS IEC

CLASE UTILIZACION

0.1 MEDIDA DE PRECISION EN LABORATORIOS

0.2-0.5 MEDIDA DE POTENCIA Y ENERGIA PARA FACTURACION

1 MEDIDA PARA SERVICIOS INDUSTRIALES Y PROTECCIONES

1 MEDIDAS DE POCA PRECISION Y PROTECCIONES



2.2.- CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Figura N° 2.1.- Transformadores de medida encapsulados ABB

Es importante su diseño para aliviar su transporte y manejo cómodo.

Difieren en sus disposiciones constructivas con respecto a los

transformadores de intensidad de línea, dado por el uso de tensiones

que varía entre 220 y 440 V y condiciones de instalación y montaje.



Figura N° 2.2.- Partes del transformador de corriente - conexionado

- Núcleo magnético (formada por chapas magnéticas).

- El secundario.

- Borneras de conexión.

- Bornes de fijación.

2.3.- TRANSFORMADORES DE TENSION

El transformador de tensión se utiliza para bajar las altas tensiones de

los sistemas eléctricos, con fines de medida o para alimentar a las

bobinas voltimétricas de los relés, a tensiones más bajas en los

modernos transformadores de tensión, la tensión secundaria tiene

siempre un valor nominal de 110 V.



Figura N° 2.3.- Conexionado de un transformador de potencial

DIAGRAMA VECTORIAL DE UN TRANSFORMADOR DE TENSIÓN

I2X2

I2R2

U1

U2

I2

I0

TENSIÓN VS FLUJO

TRANSFORMADORES DE MEDIDA ING. HUBER MURILLO M.

Figura N° 2.4.- Diagrama vectorial de un transformador de tensión

De acuerdo con este diagrama y con las características de

funcionamiento que se exigen en un transformador de tensión, éste

debe cumplir con las siguientes condiciones:



Figura N° 2.5.- Transformadores de potencial Instrument Transformers ABB EJF, a s., IT división

La relación de cambio de un transformador de tensión está expresada

por:

U1 / U2 = n1 / n2 = k = constante

O sea: U1 * n2 = U2 * n1

Los valores normalizados de la tensión primaria son: 110, 220, 380,

440, 2,200, 3,330, 5,500, 6,600…. hasta 750 KV.

En el caso de transformadores trifásicos destinados a conectarse

entre el punto neutro y un conductor activo de una red trifásica, las

tensiones simples se expresan bajo la forma U/√3, siendo U la

tensión compuesta correspondiente.

Capacidad de Sobrecarga.-

Tensión nominal de aislamiento.

Precisión.- En un transformador de tensión, la precisión depende

esencialmente, de dos factores:



- El error de relación de transformación.

- Y por el ángulo de pérdida.

También en un transformador de tensión, el error de relación de

transformación como el ángulo de pérdida dependen, esencialmente,

del valor de la corriente de vacío.

TABLA N° 2.4.- CLASES DE PRECISION PARA LOS TRASNFORMADORES

DE POTENCIAL IEC

CLASE ERROR DE RELACION EN % ERROR DE ANGULO (minutos de arco)

0.1 ±0.1 ±5

0.2 ±0.2 ±10

0.5 ±0.5 ±20

1 ±1 ±40

3 ±3 ..

TABLA N° 2.5.- CLASES DE PRECISION PARA LOS TRASNFORMADORES

DE CORRIENTE IEC

CLASE ERROR DE RELACION EN % ERROR DE ANGULO (minutos de arco)

5P ±1 ±60

10P ±2 …

Potencia nominal .-

Pruebas con tensión de choque.- Se prueba al aislamiento externo

al transformador con las tensiones correspondientes.

Pruebas del arrollamiento base lluvia para transformadores a la

intemperie, Pruebas de espiras y Ensayo descarga parcial.



2.4.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Relación de transformación

RTP = Vp / Vs = V1N /V2N

RTC = Ip /Is = I1N /I2N

V2N : 120 ó 115 Voltios AC.

La I2N utilizada es: 5A ó 1A

La clase de precisión visto en las tablas N° 2.4 y 2.5.

Los errores cometidos en la medición deben hallarse dentro del rango

de sus límites, de manera tal que no interfiera con la medición

correcta.

La precisión depende de:

- Diseño.

- Alimentadores.

- Cargas ó burden.

También se presentan los errores siguientes:

- Error de relación de transformación.

- Error de ángulo.

Por esta razón se establecen los factores de corrección.

- Factores de sobre intensidad nominal Ei.

- Factores de corrección de Angulo de fase.

2.5.- DENOMINACIÓN DE LOS TRANFORMADORES PARA MEDICIÓN

Transformadores de Medida

M5 ó M10 - según el tipo de núcleos.

Rangos de medición.



Rango normal.- Puede operar permanentemente con 1.2IN, man-

teniendo los límites de error de su clase entre (0.1 a 1.2) IN.

Rango extendido.- Pueden operar permanentemente con 2IN. Estos

son de 200% (ext. 200%). Sus límites de error de fase (0.05 a 2) IN.

Doble rango.- Hacen para dos relaciones de nominales de transfor-

mación con la misma relación numérica sin conmutación 5 y 1ª.

Transformadores de Protección

Se les denomina A - P - B

Donde:

A Es la clase de exactitud - error total cuando sucede B.

P Protección.

B Factor limitador de exactitud B veces la I Nominal.

Ejemplo: Hacer la descripción de 5P10

Cuando el transformador de corriente es usado en protección para 10

In, el error total máximo debe ser 5%.

El factor limitador de exactitud normalizado: B = 5, 10, 15, 20 y 30.

2.6.- CARGA

Es la Z total de la carga con su respectivo R y X L (Z= R + jXL)

Puede expresar como: VA, Ω y FP a un valor especificado de corriente,

tensión y frecuencia [4].

Cargas conocidas:

Conductores - se calcula.

Instrumentos - dato fabricante.

3.1.- POTENCIA NOMINAL (VA)



La potencia aparente nominal en VA, es aquella que puede suministrar

el transformador manteniendo la clase de precisión que se halla

inscrita en la placa de datos.

Figura N° 3.1.- Consumo de conductores de cobre

3.2.- HOJA TECNICA DE LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Cuando se desea seleccionar técnicamente un transformador de

medida ó protección es necesario conocer los siguientes parámetros:

Relación de transformación Vp/Vs

Carga de precisión (VA)

Clase de precisión cl.

Factor de seguridad Fs.

Intensidad térmica Ith

Intensidad dinámica Id

Aislamiento MΩ

Clase térmica B, F, H

Gama extendida ……..

Frecuencia 50/60 Hz

Tensión de aislamiento 3 KV



Corriente térmica de cortocircuito 60 x In

Corriente dinámica, 2,5 x Ith

Máxima tensión 0.72 KV a.c.

Encapsulado plástico autoextinguible

Bornes secundarios precintables

Figura N° 3.2.- Transformadores de corriente resinado

Normas IEC 44.1, IEC 185

Factor de límite de protección para trafos de protección

Valores típicos: 10, 15, 20, 30.

Aplicación: Relés de protección

Ejemplo: trafo TR60 + relé MPRB

Denominación: 5P10



Figura N° 4.1.- Trasformadores de medida de alta tensión

Figura N° 5.2.- Unifilar del trasformador de tensión capacitivo



Ensayo de descarga parcial de cada unidad de condensador.

Ensayo de estanqueidad de cada unidad de condensador.

Figura N° 5.3.- Transformador de tensión capacitivo

Figura N° 6.1.- Constitución de los transformadores de tensión inductivos



7.- TRANSFORMADORES MIXTOS

1.- Conexión delta abierta: 02 de tensión y 02 de corriente.

2.- Conexión estrella: 03 de corriente y 03 de tensión.

7.1.- CONSTITUCION DE LOS TRANSFORMADORES MIXTOS

Núcleos y Arrollamientos.-

Estanque del Transformador.-

Arrollamiento Primario.-

Núcleos y Arrollamientos secundarios.-

Cabezal.

Figura N° 7.1.- Transformadores de medida mixtos

Transporte y Montaje.- Normalmente los transformadores se

transportan en posición vertical.



Normas.- Es una unidad compacta que puede aplicarse para realizar

la medición, control y protección integral de los circuitos de baja,

media, alta y muy alta tensión; y es fabricado de acuerdo a las

prescripciones de las normas internacionales IEC, ANSI, VDE e

INDECOPI.

Ventajas:

Notable reducción de costos.

Mayor capacidad contra sobretensiones y cortocircuitos.

Clase de precisión garantizada.

Instalación simple.

Mínimo espacio requerido.

Sin riesgo de conexiones erróneas.

Eficaz para realizar balances de energía eléctrica.

Utilización de los transformadores mixtos en instalaciones

exteriores e interiores.-

Por qué preferir un transformador mixto?

Características de funcionamiento generales:

Tensión máx. del sistema ....... Kv.

Tensión BIL 75 a 170 Kv.

Potencia nominal …….. VA.

Neutro del sistema Asilado ó puesta a tierra.

Frecuencia de la red 50 ó 60 Hz.

Altitud de la instalación ....... msnm.

Nivel de cortocircuito ..…… Mva.

Montaje Exterior ó interior.

Características de los bobinados de tensión.

Potencia : 50, 100 VA

Relación : 2.2...... 36 / 0.1, 0.22 Kv.



Clase de precisión : 0.2, 0.5, 1 (para medida)

Clase de precisión : 3P, 6P (para protección)

Conexión : Delta abierto

Estrella con ó sin neutro.

Características de los bobinados de corriente.

Potencia : 15, 30 VA

Relación : ..... / 5, 2, 1

Clase de precisión : 0.2, 0.5, 1 (para medida).

Clase de precisión : 5 P10, 5P20, 10 P10. *

Conexión : Delta abierto ó Estrella.

* Utilizados en protección.

Figura N° 7.2.- Unifilar del transformador en BT y MT.



Figura N° 7.3.- Unifilar del transformador de medida mixto

7.3.- UNIFILARES DE LAS UNIDADES DE MEDIDA

Transformadores combinados de: 2 transformadores de tensión y 2 de

corriente, pudiendo ser 3 de tensión y 3 de corriente. Son fabricados

de acuerdo a las normas internacionales IEC.

Rango de potencia : <= 50 VA.

Nivel de tensión : <= 36 KV.

Clase de precisión : 0.5



Figura N° 7.4.- Transformadores de corriente en BT convencionales

Figura N° 7.5.- Transformadores de corriente en BT modernos



Figura N° 7.6.- Transformadores de corriente en grandes clientes BT.

Figura N° 7.7.- Transformadores de medida mixto MT.



7.4.- TRASNFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION ESPECIALES

Con respecto a los transformadores Convencionales

No existe riesgo de incendio.

No contaminan el medio ambiente.

Buena performance en ambientes agresivos y contaminados.

Mayor capacidad de sobrecarga.

Figura N° 7.8.- Transformadores de medida mixtos ecológicos.

Mayor expectativa de vida.

Mayor rendimiento.

Menores gastos de operación de mantenimiento.



7.5.- PRUEBAS REALIZADAS A TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Pruebas de resistencia óhmica.-

Prueba de resistencia de aislamiento.-

Prueba de rigidez dieléctrica en el aceite.-

Prueba de índice de polarización.-

8.- TRANSFORMADORES ELCOLÓGICOS

Ante a las nuevas exigencias: el cuidado del medio ambiente y las

tendencias a elevar la confiabilidad de los sistemas de energía, surge

como una alternativa ventajosa sobre los Transformadores

Convencionales la línea de Transformadores de Distribución Ecológicos.

8.1.- VENTAJAS TECNOLÓGICAS MODERNAS

Las ventajas mas importantes son:

Ecológicamente aceptable.

Seguridad contra el fuego comprobables.

Alta capacidad de sobrecarga.

Alta durabilidad.

Adecuado para cargas no lineales.

Desempaño comprobado.

Mínimo mantenimiento.

Materiales con tecnología de punta.

8.2.- CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS TRANSFORMADORES



Las características más importantes son:

Alta clase térmica.

Diseño compacto y tamaño reducido.

Reducen sus dimensiones hasta un 75%.

Peso total muy reducido.

Mínimas pérdidas totales.

Alta capacidad de sobrecarga.

Compatibilidad total de materiales.

8.3.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS

Aislamiento solido.-

Los aislamientos usados presentan características muy importantes

como:

Clase térmica 180° C.

Base de nomex.

Figura N° 8.1.- Materiales aislantes clase H



Núcleo de acero al silicio.- El núcleo de acero al silicio es muy

especialmente seleccionado dado el tipo de prestaciones, en tal

sentido a continuación presentamos las características:

Alta calidad M4 y grano orientado.

Corte oblicuo a 45°.

Certificación ISO 9000.

Figura N° 8.2.- Materiales: Cobre electrolítico, acero al silicio y pasatapas

Cobre electrolítico:

Alta pureza.

Alta resistencia a los cortocircuitos.

Figura N° 8.3.- Corrientes de fuga de la silicona, EPDM y porcelana



Aisladores bushing poliméricos de silicona.- El Dow Corning

empezó investigando los fluidos de la silicona como el refrigerante de

potencial dieléctrico en los años cincuenta.

Fluido refrigerante - silicona dow corning 561.- Es el material

con la cual se cubre los arrollamientos primario y secundario, siendo

sus propiedades más importantes:

Figura N° 8.4.- Comportamiento frente al medio ambiente

La seguridad del personal profesional.- .

8.4.- NORMAS APLICABLES

Figura N° 8.5.- Trasformadores de medida ecológicos



Código Eléctrico nacional

Normas de ASTM

National Fire Protection Association (NFPA)

NFPA 1996 National Electric Code

NEC 450-23 Less-Flamable Liquid-Insulated

Transformes

NEC 450-26 Oil-Insulated Transformers Indoors

NEC 450-27 Oil-Insulated Transformers Outdoors

American Society for Testing and Materials (ASTM)

ASTM D 4652-92 Standard Specificacions for Silicone Fluid

Used for Electrical Insulation

ASTM D 2225-92 Standard Methods of Testing Silicone Fluid

Used for Electrical Insulation

10.- APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA

En esta parte del trabajo se utilizará el fundamento teórico como base de los

cálculos a realizar. Las aplicaciones presentadas son de uso frecuente en los

circuitos de medidas y protección de los sistemas eléctricos de potencia.

En tal sentido es que presentamos las siguientes aplicaciones:

10.1.- FACTOR DE SOBRE-INTENSIDAD EN FUNCIÓN DEL BURDEN

Por razones técnicas y económicas los transformadores de corriente

(TC) no deben sobredimensionarse sobre la base de la IN y VA

nominal de las cargas que corresponden a los circuitos.



Si la potencia conectada difiere de la potencia nominal del

transformador, el factor de sobre-intensidad varia:

n´ = n x [Sn + SE] / [S + SE]

Donde: n´ Factor de sobre-intensidad real.

n Factor de sobre-intensidad nominal.

Sn Potencia nominal en VA.

SE Consumo propio del transformador 10% SN.

S Potencia realmente conectada.

Aplicación N° 1.- Un transformador de corriente (TC) tiene las

siguientes características:

RTC 1000/1/1A, Ith = 25KA, Um = 12 KV.

1er núcleo 10 VA: núcleo de medida 1M5.

2do núcleo 15 VA: núcleo de protección SP10.

Potencia realmente conectada.

1er núcleo Amperímetro de aprox. 4 VA.

2do núcleo Protección mecánica temporizada contra

sobre-

corrientes de aprox. 22 VA.

Núcleo de Medida

n = 5 Sn = 10 VA SE = 0.1 x 10 = 1 VA S = 4 VA

n´ = 5 x (10 + 1) / (4 + 1) = 11

n´ ≈ 2n

Esto implica que: Sn ≈ S

Notas:

La potencia del transformador Sn es muy grande.

Si se mantiene este transformador se tiene que adherir carga artificial.



El aparto de medida no queda protegido contra los efectos de las

corrientes de cortocircuito.

Núcleo de protección

n = 10 Sn = 15 VA SE = 0.1 x 15 = 1.5 VA S = 22 VA

n´ = 10 x (15 + 1.5) / (22 + 1.5) = 7.02

n´< n

Esto implica que: Sn ≈ S

Notas:

La señal de corriente no se transmite correctamente, y esto hace:

- En que no haya respuestas.

- ó que el aparato de protección trabaje en forma errónea.

Si la potencia conectada es mayor que la nominal S > SN, el TC no

podrá cumplir con las condiciones normadas para mantener el límite

de error y la exactitud de clase.

Elegir un TC de mayor potencia.

Por este motivo SN debe adaptarse siempre a S.

Aplicación N° 2.- A una distancia de 25 m se halla la carga de un

TC con una RTC …. / 1 A, se utiliza cable THW de 2.5 mm2.

Consumo de los aparatos

Amperímetro 1 VA

Registrador de potencia 6 VA

Contador de corriente 3ø 0.8 VA

Hallar el burden y Sn

Pérdida en línea. SL = 2 ρL(L / A) I22n

SL = (0.01754) (2) (25) (12) / 2.5 = 0.3508 VA



S = 7.8 + 0.35 = 8.1508 VA Aplicar el factor seguridad 1.15

Ir al catálogo del fabricante Sn = 10 VA

Aplicación N° 3.- Cuando la longitud simple es 35 m.

Perdida máxima admisible en la línea 5 VA en 35 m.

PLINEA = 5 VA/35 m = 0.143 VA/m

Ir tabla SCU = 1.5mm2 I2N = 1A

Ir tabla SCU = 6mm2 I2N = 5A

Muy importante las pérdidas en las líneas en BT.

Hallar los conductores adecuados para TCs de 1 y 5 A de corriente

secun-daria.

10.2.- CÁLCULO DE LAS POTENCIAS PARCIALES APLICADAS A

LOS TRANSFORMADORES PRINCIPALES

La carga conectada y el propio consumo del transformador totalizador

de corriente deberían ser los más bajos posibles de manera que se

pueda reducir al máximo la potencia del transformador principal.

A continuación presentamos el valor nominal de la relación total de

transformación:

400/1 + 600/1 + 1000/1 = 2000/1 A.

Sn = ρN(I1NT /IS1) + SL

Donde:

SN P nominal de transformador totalizador incluyendo su consumo

propio en VA.

ST Potencia parcial en VA.

I1NT Corriente primaria nominal del transformador en A.

ISN1 Corriente suma nominal en el primario en A.



SL: Pérdidas en las líneas que unen los transformadores parciales y

el totalizador.

Aplicación N° 4.- Siendo Sn = 20 VA, hallar: ST1, ST2 y ST3

ST1 = (20) (400)/2000 = 4 VA

ST2 = (20) (600)/2000 = 6 VA

ST3 = (20) (1000)/2000 = 10 VA

ST = 20 VA

10.3.- CÁLCULO DE LA CARGA

Se denomina así a todas las cargas conectadas al devanado

secundario, y son las que determinan la potencia activa y reactiva del

secundario del transformador de corriente ó potencial. Se expresa en

VA y Ω.

Aplicación N° 5.- Calcular el burden para un TC alimentador por un

cable de 4 mm2 THW de cobre con 15 m de longitud total. TC: …..

/5 A, 60 HZ

RCU = ρL(L/A) = (0.0175)(15)/4 = 0.066 Ω

RTOTAL = RCU + RWATTHORIM + RWAT + RAMP

=0.066 + 0.013 + 0.023 + 0.055

TABLA N° 9.1.- CUADRO DE CARGAS DEL TRANSFORMADOR

CARGAS RESISTENCIA INDUCTANCIA

Watthorimetro 0.013Ω 0.044mH

Vatímetro 0.013Ω 0.260mH

Amperímetro 0.055Ω 0.270mH



RTOTAL = 0.157 Ω

P = RTI22 = 0.157 (5)2

P = RTI22 = 0.157(5)2 = 3.925 VAT

Q = XTI22

LT = O.O44 + 0. 026 + 0.27 = 0.574 (10-3) Hy

XT = 2πFLT = 216.4 (10-3) = 0.216 Ω

Q = (0.216) (25) = 5.4 VARS

S = (P2+Q2)1/2 = 6.684 L 54 VA

Luego el burden es el siguiente:

S = 6.684 VA Factor de seguridad 1.15 Sn = 10 VA

ZT = 6.68/52 = 0.2672 Ω

Aplicación N° 6.- Calcular el Burden del TC de 150/5 A, el mismo

que tiene una resistencia secundaria de 0.15 Ω y cuya carga esta

conformada por un relé >I de 5 VA (ver figura N° 9.1). Se conecta

por medio de un cable THW de 4 mm² 50m de distancia.

RCU = (2) (50) (0.0175)/4 = 0.4375 Ω

STOTAL = SRS + SRCU + SR

= (0.15) (25 ) + (0.4375) (25) + 5

= 3.75 + 10.94 + 5

Figura N° 9.1.- Circuito aplicativo de TC y Relé

STDT = 19.69 VA



RR = 5/25 = 0.2 Ω

RT = RCU + RS + RR

= 0.4375 + 0.15 + 0.2

RT = 0.7875 Ω

Los burden son:

S total = 19.69 VA Sn = 1.15 x 19.69 Sn = 25 VA

R total = 0.7875 Ω

10.4.- CÁLCULO DE LOS TRASFORMADORES DE CORRIENTE

Aplicación N° 7.- En la figura seleccionar los TCs y acompañar su

hoja técnica sabiendo el cuadro de cargas de la tabla N° 9.2.

Cálculo de TC1 del lado de 115 KV, Sn = 50 MVA.

Revelador diferencial IS = 5 A

ARC Cos 0.5 = 60°

W = (3) (0.5) = 1.5 VATIOS

Q = 3 sen60° = (3) (0.866) =2.6 VAR.

Cable 4mm2 THW

R = (0.0175)(50)/4 = 0.21875 Ω

WC = RC x 52 = (0.2186) (25) = 5.465 VAT



Figura N° 9.2.- Circuito aplicativo de TC y sus cargas

TABLA 9.2.- CUADRO DE CARGAS

DESCRIPCION SIMBOLO S FP

Amperímetro A 2VA FP = 1

Relé Diferencial 87 3VA FP = 0.5

Vatímetro VAT 5VA FP = 0.6

Vathorímetro VATH 10VA FP = 0.7

Varímetro VAR 3VA FP = 0.5

WTOTAL = WRD + WC = 6.965 VAT

Q total = 2.6 VAR

S = 6.965+⌡2.6 = 7.435 L20.5 VA

VA = 7.435 VA.

IP = 50MVA/√3 (115) = 251 A



IP = 300 A

IS = 5 A

RT = 300/5 = 60

Clase de precisión: 1.2 (ANSI) SNOM = 10 VA FP = 0.941

Cálculo de TC2 del lado de 13.8 KV. Sn = 50 MVA

Cálculo TC2 lado : 13.8 KV

I2 = 50MVA/√3 (13.8) = 2091 A

WC = RC (5)2 = 5.465 Ω

WRD = 1.5 VAT

VAR = 2.6 VAR

PTOT = 6.925 VAT Q = 2.6 VARS S = 7.435 L20.5° VA;

IP = 2500 A IS = 5 A SNOM = 10 VA RT = 500

Clase de precisión: 1.2 (ANSI)

Cálculo de TC3 del lado de 13.8 KV. Sn = 25 MVA.

IP = 25MVA/√3 (13.8) = 1045 A

Cable: R = (0.0175)(90)/6 = 0.2625 Ω En el grafico debe ser 6 mm²

WC = 0.2625 (5)2 = 6.5625 VAT

Amperímetro: Ø = 0°, WA = 2 (1) = 2 VAT , VAR= 2Sen 0 = 0

Vatímetro: Ø = 72.54°, WA, = 5 (0.3) = 1.5 VAT,

VAR = 5 Sen 72.54° = 4.796 VAR

Watt-Horímetro: Ø = 53.13°, WV = 5 (0.6) = 3 VAT

VAR = 5Sen 53.13° = 4 VAR

WTOT = 6.5625 + 1.5 + 7 + 3 + 2 = 20.1 VAT

VAR = 0 + 4.796 + 7.14 + 4 = 15.936 VAR

S = 20.1 + j 15.936 = 25.65 L38.4° VA



TABLA N° 9.3.- RESULTADOS DE LA APLICACIÓN N° 7. TCs

ITEM PARAMETROS TC1 TC2 TC3

01 Burden 7.44 7.44 25.65

02 SNOM 10 10 30

03 IP 300 2500 1200

04 IS 5 5 5

05 RT 60 500 240

06 Clase precisión 1.2 (ANSI) 1.2 (ANSI) 1.2 (ANSI)

07 Tensión 115 KV 13.8 KV 13.8 KV

08 Aislamiento (MΩ) 2200 2200 2200

09 Clase térmica F F F

10 Tensión aislam. 3 KV 3 KV 3 KV

11 Tensión máxima 0.72 KV 0.72 KV 0.72 KV

12 Factor potencia

10.5.- CÁLCULO DE LOS TRASFORMADORES DE POTENCIAL

Aplicación N° 8.- Seleccionar los TPs y acompañar su hoja técnica

sa-biendo el cuadro de cargas de la tabla N° 9.3.

TABLA 9.4.- CUADRO DE CARGAS

DESCRIPCION SIMBOLO S FP

Voltímetro V 3 VA FP = 1.0

Frecuencímetro F 3 VA FP = 0.1

Vatímetro W 5 VA FP = 0.6

Vari metro VAR 5 VA FP = 0.3



Figura N° 9.3.- Circuito aplicativo de TPs y sus cargas

Cálculo del TP del lado de 230 KV

WC = 0.1313 (I2)2

V: FP = 1; Ø = 0°; WV = 3 (1) = 3 VAT; VAR = 3Sen 0°= 0 VAR

W: FP = 0.6; Ø = 53.13°; WV = 5 (0.6) = 3 VAT

VAR = 5Sen 53.13° = 4 VAR

VAR : FP = 0.3 ; Ø = 72.54°; WVAR = 5 (0.3) = 1.5 VAT

VAR = 5Sen 72.54° = 4.77 VAR

WT = 3 +3+1.5 = 7.5 VAT; VART = 0+4+4.77 = 8.77 VAR

S = 7.5 +j 8.77 = 11.54 L49.5 VA

En el TP VS = 120 Voltios

I2 = 15/√3 (120) = 0.072 A FP = 0.651 SN = 15 VA

R cable = 0.0175 x 30 / 4 = 0.1312 Ω

S cable = 0.1312 x 0.0722 = 6.8 x 10-4 = 0.00068 VAT depreciable.



Cálculo del TP del lado de 69 KV

V: WV = 3 VAT; VAR = 0 VAR

W: WW = 3 VAT; VAR = 4 VAR

F: FP = 0.1; Ø = 84.26°; WF = 3 (0.1) = 0.3 VAT

VAR = 3Sen 84.26° = 2.99 VAR

WT = 3 +3+0.3 = 6.3 VAT; VAR = 0+4+2.99 = 6.99 VAR

S = 6.3 +j 6.99 = 9.41 L49.97° VA

TABLA N° 9.5.- RESULTADOS DE LA APLICACIÓN N°8 TPs

ITEM PARAMETROS TP1 TC2

01 Burden 11.54 9.41

02 SNOM 15 10

03 V1 230 KV 69 KV

04 V2 120 VOL 120 VOL

05 RT 1917 575

06 Clase precisión 1.2 (ANSI) 1.2 (ANSI)

07 Aislamiento (MΩ) 2200 2200

08 Clase térmica F F

09 Tensión aislam. 500 KV 150 KV

10 Tensión máxima 350 KV 75 KV

11 Factor potencia 0.65 I 0.64 I



13. - REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

1.- BELTON BILL, Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas, México:

Ediciones Alfaomega – Marcombo 1995.

2.- CREDER HELIO Instalaciones eléctricas, Río de Janeiro – Brasil: Editorial

ABDR. 1995

3.- ENRIQUE HARPER GILBERTO - Fundamentos de instalaciones eléctricas

de mediana y alta tensión, México: Editorial LIMUSA – 2000

4.- GUNTER G. SEIP - Instalaciones eléctricas – Abastecimiento y distribución

eléctrica Tomo I, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989.


eléctrica Tomo II, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989.


eléctrica Tomo III, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989.

7. - MATSCH, LEANDER W. Máquinas electromecánicas y electromagnéticas

México, D.F: Alfaomega, 1990.

8.- MUN ONG, CHEE Dynamic simulation of electric machinery, New Jersey:

Prentice Hall PTR, 1998

A continuación presento los boletines técnicos y manuales de

operación normalizados de los siguientes fabricantes:

1.- ABB Manuales de operación.

2.- Alston Transmission & distribution – transformer medida.

3.- Arteche WWW.arteche .com

4.- Laybolt Manuales de instrumentación.

5.- Lucas New Manuales de instrumentación.

6.- Siemens Manuales de instrumentación.



NORMAS INTERNACIONALES

El presente trabajo fue desarrollado gracias a la utilización de las siguientes normas internacionales:

IEC 60364 Sobre los ECT. IEEE C57.110-1986 Dimensionamiento de los alimentadores. IEC 364 – 5 – 54 Sistemas de aterramiento. VDE 102 – Parte 1 - Cálculo de corto circuito. IEEE Red Book, IEEE Std. 141-1993, IEEE Recommended Practice for

Electric Power Distribution for Industrial Plants

IEC 076 Diseño, fabricación y pruebas.

IEC 354 Capacidades de sobrecarga.

IEC 296 Aceites y materiales aislantes.

IEC 44-1 Transformadores de intensidad.

IEC44-2 Transformadores de tensión.

IEC 185 Transformadores de intensidad.

IEC 186A Transformadores de tensión.

VDE 0414 Transformadores de medida.

VDE 0111 Coordinación de aislamiento 1kv

ANSI C57-13 Transformadores de medida.

VDE 171 Protegido contra explosiones áreas riesgosas.



14.- ANEXOS

ANEXO A.- TABLAS NORMALIZADAS SIEMENS

TABLA N° 14.1.- CONSUMO DE POTENCIA DE APARATOS DE

MEDIDA VIA CORRIENTE

Aparato consumo (VA)

Amperímetro de hierro móvil. 0.6 a 1.6 Amperímetro de cuadro móvil y rectificador. 0.15 Amperímetro de bimetal. 1.2 a 1.5 Vatímetro. 0.5 a 1.5 Fasímetro. 0.8 a 3 Registrador de intensidad. 2 Registrador de potencia. 6 Registrador de factor de potencia. 14 Contador de corriente alterna. 1.1 a 2.5 Contador de corriente trifásica. 0.32 a 1.1 Transductor de medida. 3 Sensor de medida. 2

Norma VDE 530 Siemens

TABLA N° 14.2.- PÉRDIDAS EN LA LÍNEAS SL EN (VA) POR m. DE LÍNEA DE COBRE (LÍNEA DE IDA RETORNO)

Secciones de la línea de cobre m² SL en VA/m para

I2N=1ª I2N=2A

1.5 0.023 0.58

2.5 0.014 0.36

4 0.009 0.22

6 0.006 0.15

10 0.004 0.09




TABLA N° 14.3.- COMPARACIÓN DE LOS CAMPOS DE APLICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD CON CORRIENTES

NOMINALES EN EL SECUNDARIO DE 1A Y 5A

Potencia (VA longitud m. simple sección (mm²)

VA máxima de la línea 1A 2.5 178 2.5

5A

2.5 7 2.5

5 14 2.5

10 28 2.5

15 43 2.5

30 85 2.5

60 171 2.5


TABLA N° 14.4.- COMPARACIÓN DE POTENCIAS PARA INTENSIDADES NOMINALES EN EL SECUNDARIO DE 1ª Y 5A

Longitud simple de la línea 3 m. medición

local 60 m. medición

central

Intensidad nominal en el secundario 1A 5A 1A 5A

Línea de medición VA 0.04 1.07 0.9 21.4

1 Amperímetro VA 0.2 0.3 0.2 0.3

1 Fasimetro VA 0.8 3 0.8 3

1 Contador VA 1.4 1.4 1.4 1.4

Potencia total VA 2.44 5.77 3.3 26.1

Potencia nominal elegida VA 2.5 10 5 30




TABLA 14.5.- CONSUMO DE POTENCIA DE LOS APARATOS DE MEDIDA

PARA CIRCUITOS VOLTIMÉTRICOS

APARATOS VA

Voltímetro de hierro móvil. 0.9 a 4

Voltímetro de cuadrado móvil, rectificador. 1

Vatímetro. 1

Fasimetro. 2.5 a 5

Frecuencímetro. 1 a 3

Registrador de tensión. 1

Registrador de potencia. 3

Registrador de factor de potencia. 12

Registrador de frecuencia. 13

Contador de corriente alterna. 2 a 4

Contador de corriente trifásica. 4

Relojes. Conmutadores. 5 a 7

Contadores totalizadores. 2

Contadores de cómputo a distancia. 2 a 5

Transductores de medida. 1.5

Sensores. 2


ANEXO B.- ENSAYOS OFF LINE (IEEE) MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO N0RMALIZADO (IEEE 112/1978 – item 4.1) Constituye una medición precisa de la resistencia del aislamiento a masa de los bobinados. La prueba consiste en aplicar una tensión de CC (IEEE – 43 / 1991), y medir la corriente de pérdida luego de 60 segundos. La resistencia de aislamiento se calcula según la ley de OHM: IR = Tensión aplicada / corriente de fuga medida



TENSIONES DC PARA PRUEBA DE LA RESISTENCIA DE

AISLAMIENTO IEEE - 43

NIVEL TENSIÓN DEL ARROLLAMIENTO

TENSIÓN DE PRUEBA

1 < 1000 VAC 500 VDC

2 1000 - 2500 VAC 500 - 1000 VDC

3 2501 - 5000 VAC 1000 - 2500 VDC

4 5001 - 12000 VAC 2500 - 5000 VDC

5 > 12000 VAC 5000 - 10000 VDC

ÍNDICE DE POLARIZACIÓN (IP) IEEE – 43 Mide cuantitativamente la capacidad de polarización del aislamiento a masa. La prueba de IP se realiza comúnmente a la misma tensión que la prueba de MEGOHM y tarda 10 minutos en completarse. El Valor de IP se calcula como:

IP = IR (10min) / IR (1min)

En general los aislantes en buenas condiciones mostrarán un índice de polarización alto, mientras que los aislantes dañados no lo harán. IEEE - 43 recomienda valores mínimos para las distintas clases térmicas de aislamiento de motores:

VALORES MÍNIMOS SEGÚN CLASE DE AISLAMIENTO

CLASE TERMICA IP CLASE TERMICA IP

NEMA CLASE A 1.5 NEMA CLASE F 2.0

NEMA CLASE B 2.0 NEMA CLASE H 2.0

ÍNDICE DE ABSORCIÓN (IA) IEEE – 43 Es una variante del índice de polarización. En algunos materiales como la mica, la corriente que absorben los materiales toma 10 minutos ó más para caer a cero. Pero en sistemas de aislamiento modernos la corriente de absorción puede caer a cero en 2 o 3 minutos. El Índice de absorción se calcula como:

IA = IR (60seg) / IR (30seg)



NIVELES DE ÍNDICES DE ABSORCIÓN Y POLARIZACIÓN IEEE

NIVEL ÍNDICE DE ABSORCIÓN

ÍNDICE DE POLARIZACIÓN

ESTADO DE LA RESIST. AISLAMIENTO

D 0 - 1.0 0 - 1 PELIGROSO

C 1.0 - 1.3 1 - 2 DEFICIENTE

B 1.3 - 1.6 2 - 4 BUENO

A 1.6 - SUPERIOR

4 - SUPERIOR EXCELENTE

TENSIÓN APLICADA (IEEE 112 / 1978 ITEM 6.2) Demuestra que en el sistema de aislamiento a masa puede existir un voltaje aplicado alto sin exhibir una corriente de pérdida extraordinariamente alta.

TENSIONES DE PRUEBA DE HIPOT RECOMENDADOS IEEE - 95, IEEE - 43, IEC 34.1 Y NEMA MG-1.

TIPOS TENSIÓN PRUEBA DE LOS

EQUIPOS

DESCRIPCIÓN GENERAL VALORES DE LA TENSIÓN APLICADA

VAC – PRUEBA Valor aproximado de tensión alterna de prueba empleada por el fabricante

2 x VAC MOMINAL(MÁQUINA)

+ 1.000 VOLT.

VDC – PRUEBA INICIAL

Máxima tensión continua de prueba para la primera prueba (instalación de la máquina)

1,28 x VAC – PRUEBA

VOLT.

V DC – PRUEBA PERIÓDICA

Máxima tensión contínua de prueba para las verificaciones periódicas de la máquina

0,96 x VAC – PRUEBA

VOLT.

Expresiones para determinar la tensión de prueba del test de comprobación en máquinas eléctricas.

TENSIÓN DE IMPULSO - IEC 34 -15 /1995 e IEEE - 522 /1992 Proporciona información acerca del Aislamiento entre espiras, y la capacidad del aislamiento a masa para soportar transitorios de frente de onda abrupto (como los que aparecen en servicio). Las razones para realizar la prueba de impulso es que diariamente los motores están sometidos a transitorios de alta tensión y/o energía. Estos impulsos pueden



dañar el aislamiento del motor, y en un tiempo pueden provocar una falla en el mismo.

ANEXO C

El presente trabajo se ha desarrollado tomando como base la información proporcionada por los siguientes fabricantes: ABB, SIEMENS, Alston y Arteche. El marco de trabajo son los sistemas eléctricos de potencia vinculados con la medida y/o protección de: Las cargas, líneas de transmisión y fuentes de generación de energía eléctrica. Los transformadores de intensidad y potencial en media y alta tensión, cumplen una doble función:

Reducir la corriente (tensión) a medir a un valor suficientemente pequeño para poder ser aplicados a los aparatos de medida ó de protección, y con un potencial a masa de valor no peligroso para el aislamiento de los aparatos y para las personas.

Al reducir la corriente y tensión establecen una separación galvánica entre los circuitos de MT ó AT a controlar, y la corriente aplicada a los aparatos de medida ó protección.

En consecuencia, en MT ó AT resultan imprescindibles los TI y TT sea cual sea el valor de la corriente ó tensión en MT ó AT a medir ó controlar. Dentro de las características de funcionamiento de los TI y TT se presentan:

En el lado de alta tensión (características primarías cualquier nivel de corriente y tensión adecuadamente diseñado).

En el lado de baja tensión se hallan las características secundarias de: corriente 1 ó 5 A y tensión 110 y 120 voltios.

Las clases de precisión normalizados más estandarizados son los siguientes: Clases: 0.1, 0.2 , 0.5. Para facturación Clases: 1.2, 3 Para contaje. Clases: 5P , 10P Para la protección. El factor de seguridad FS garantiza cualquier valor de sobre corriente por el primario, siendo la intensidad secundaria inferior a los valores predeterminados por los equipos y aparatos de medida y protección. Normalmente: 2.5 < FS < 10. En los TI para protección (alimentación de relés), se denomina intensidad limite de precisión “ ILP” a la intensidad primaria, superior a lo nominal IPN, para la cual el TI se mantiene a una determinada precisión; ó sea no sobrepasa a un cierto margen de error.



Los transformadores de medida sirven para:

• Medir altas tensiones e intensidades con aparatos de bajo alcance.

• Separar eléctricamente el circuito medido a los aparatos de medida, permitiendo la realización de medidas en alta tensión y corriente con aparatos de baja tensión y corriente.

• Poder instalar aparatos de medida en lugares distintos a los del circuito medido.

• Así evitamos las interferencias provocadas por los campos magnéticos externos en el trabajo de los aparatos de medida.

• Se aumenta la seguridad del personal y permite la ubicación de los aparatos de medida en los lugares más convenientes.

Los valores de las intensidades nominales del primario y secundario deben figurar en la placa de características del transformador y se expresan en forma de fracción:

Intensidad primaria/Intensidad secundaria. (Por ejemplo, 200/5 A).

Indica una intensidad nominal primaria de 200 A y una intensidad nominal secundaria de 5 A. La intensidad nominal secundaria está normalizada en 5 A para todos los transformadores. Sólo en aquellos casos en los que la distancia entre el transformador y el aparato de medida es muy grande se utilizan transformadores con intensidad nominal secundaria de 1 A. Los valores normalizados para las corrientes primarias son: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, 10000 A.

Sobre la placa de características también se indica el valor de la tensión máxima admisible en el circuito de medida. Otra característica a tener en cuenta en un transformador de corriente es su POTENCIA NOMINAL, que se define como la potencia aparente, expresada en Voltio - Amperios (VA), que el transformador proporciona al circuito secundario con la carga e intensidad nominales.

La carga nominal, expresada en: Ohmios ó VA, es aquella para la cual se cumplen los errores máximos de la clase de precisión del transformador. Las potencias nominales normalizadas son: 5, 10, 15, 25, 30, 40, 50, 75 y 100 VA.

Transformadores de Medida y Proteccion Hm

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