” NUEVAS
EXIGENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCIÓN ECOLÓGICOS”
MARCO TEÓRICO Los transformadores de medida son medios de servicio eléctrico que transforman 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 aparatos y/o circuitos de control para: Medir parámetros eléctricos. Registrar parámetros eléctricos. Visualizar parámetros eléctricos. Sistemas de protección, entre otros. 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.
TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS
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) 2.5 4 6 10
INTENSIDAD SECUNDARIA 5A (VA/m) 0.18 0.11 0.07 0.044
INTENSIDAD SECUNDARIA 1A (VA/m) 0.007 0.0044 0.0029 0.00175
Figura N° 2.1.- Transformadores de medida encapsulados ABB
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Así evitamos las interferencias provocadas por los campos magnéticos externos en el trabajo de los aparatos de medida.
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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) 2.5 4 6 10
INTENSIDAD SECUNDARIA 5A (VA/m) 0.18 0.11 0.07 0.044
INTENSIDAD SECUNDARIA 1A (VA/m) 0.007 0.0044 0.0029 0.00175
Figura N° 2.1.- Transformadores de medida encapsulados ABB
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TABLA N° 2.3.- CLASES DE PRECISION NORMALIZADAS IEC CLASE 0.1 0.2-0.5 1 1
UTILIZACION MEDIDA DE PRECISION EN LABORATORIOS MEDIDA DE POTENCIA Y ENERGIA PARA FACTURACION MEDIDA PARA SERVICIOS INDUSTRIALES Y PROTECCIONES MEDIDAS DE POCA PRECISION Y PROTECCIONES
CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE 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 de corriente - conexionado - Núcleo magnético (formada por chapas magnéticas). - El secundario. - Borneras de conexión. - Bornes de fijación. MEDIDAS ELECTRICAS II
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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 120 V.
Figura N° 2.3.- Conexionado de un transformador de potencial U1
I2X2
I2R2
U2
TENSIÓN VS FLUJO
I2
I0
Figura N° 2.4.- Diagrama vectorial de un transformador de tensión MEDIDAS ELECTRICAS II
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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, 2,200, 3,330, 5,500, 6,600…. hasta 750 KV.
440,
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.
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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
ERROR DE RELACION
ERROR DE ANGULO (minutos de
EN %
arco)
0.1
±0.1
±5
0.2
±0.2
±10
0.5
±0.5
±20
1
±1
±40
3
±3
..
CLASE
TABLA N° 2.5.- CLASES DE PRECISION PARA LOS TRASNFORMADORES DE CORRIENTE IEC
ERROR DE RELACION
ERROR DE ANGULO (minutos de
EN %
arco)
5P
±1
±60
10P
±2
…
CLASE
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. 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. MEDIDAS ELECTRICAS II
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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. 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 1.2I N, man-teniendo los límites de error de su clase entre (0.1 a 1.2) IN. Rango extendido.- Pueden operar permanentemente con 2I N. Estos son de 200% (ext. 200%). Sus límites de error de fase (0.05 a 2) I N. 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. 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]. MEDIDAS ELECTRICAS II
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Cargas conocidas: Conductores - se calcula. Instrumentos - dato fabricante. 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 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 …….. MEDIDAS ELECTRICAS II
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Frecuencia Tensión de aislamiento Corriente térmica de cortocircuito Corriente dinámica, Máxima tensión Encapsulado plástico Bornes secundarios
50/60 Hz 3 KV 60 x In 2,5 x Ith 0.72 KV a.c. autoextinguible precintables
Figura N° 3.2.- Transformadores de corriente resinado Normas IEC 44.1, IEC 185
Figura N° 4.1.- Trasformadores de medida de alta tensión
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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 MEDIDAS ELECTRICAS II
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Figura N° 6.1.- Constitución de los transformadores de tensión inductivos
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
TRANSFORMADORES MIXTOS 1.- Conexión delta abierta: 02 de tensión y 02 de corriente. 2.- Conexión estrella: 03 de corriente y 03 de tensión. CONSTITUCION DE LOS TRANSFORMADORES MIXTOS Núcleos y Arrollamientos.Estanque del Transformador. Arrollamiento Primario.Núcleos y Arrollamientos secundarios.Cabezal.
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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 Tensión BIL Potencia nominal Neutro del sistema Frecuencia de la red MEDIDAS ELECTRICAS II
....... Kv. 75 a 170 Kv. …….. VA.
Asilado ó puesta a tierra. 50 ó 60 Hz. HUBER MURILLO MANRIQUE
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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.
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Figura N° 7.3.- Unifilar del transformador de medida mixto 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 MEDIDAS ELECTRICAS II
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Figura N° 7.5.- Transformadores de corriente en BT modernos
Figura N° 7.6.- Transformadores de corriente en grandes clientes BT.
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Figura N° 7.7.- Transformadores de medida mixto MT. 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.
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Figura N° 7.8.- Transformadores de medida mixtos ecológicos.
Mayor expectativa de vida. Mayor rendimiento. Menores gastos de operación de mantenimiento.
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.-
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. MEDIDAS ELECTRICAS II
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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. 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. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS Aislamiento solido.Los aislamientos usados presentan características muy importantes como:
Figura N° 8.1.- Materiales aislantes clase H Clase térmica 180° C. MEDIDAS ELECTRICAS II
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Base de nomex. 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:
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Figura N° 8.4.- Comportamiento frente al medio ambiente La seguridad del personal profesional.- . 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 MEDIDAS ELECTRICAS II
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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: 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 I N 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 + S E] / [S + SE] Donde:
n´ n Sn SE S
Factor de sobre-intensidad real. Factor de sobre-intensidad nominal. Potencia nominal en VA. Consumo propio del transformador 10% SN. 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 sobrecorrientes 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 S n es muy grande. Si se mantiene este transformador se tiene que adherir carga artificial. MEDIDAS ELECTRICAS II
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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 n´ = 10 x (15 + 1.5) / (22 + 1.5) = 7.02 n´< n Esto implica que: Sn ≈ S
S = 22 VA
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 mm 2. 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 secundaria.
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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 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 R CU = ρL(L/A) = (0.0175)(15)/4 = 0.066 Ω R TOTAL = R CU + R WATTHORIM + R WAT + R AMP =0.066 + 0.013 + 0.023 + 0.055 R TOTAL = 0.157 Ω P = R TI22 = 0.157 (5)2 P = R TI22 = 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 MEDIDAS ELECTRICAS II
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Luego el burden es el siguiente: S = 6.684 VA Factor de seguridad 1.15 Sn = 10 VA 2 ZT = 6.68/5 = 0.2672 Ω TABLA N° 9.1.- CUADRO DE CARGAS DEL TRANSFORMADOR CARGAS Watthorimetr o Vatímetro Amperímetro
RESISTENCIA 0.013Ω
INDUCTANCIA 0.044mH
0.013Ω 0.055Ω
0.260mH 0.270mH
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. R CU = (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 R R = 5/25 = 0.2 Ω R T = R CU + R S + R R = 0.4375 + 0.15 + 0.2 R T = 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
CÁLCULO DE LOS TRASFORMADORES DE CORRIENTE MEDIDAS ELECTRICAS II
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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 = R C 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 SIMBOL S O Amperímetro A 2VA Relé Diferencial 87 3VA Vatímetro VAT 5VA Vathorímetro VATH 10VA Varímetro VAR 3VA MEDIDAS ELECTRICAS II
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FP FP = 1 FP = 0.5 FP = 0.6 FP = 0.7 FP = 0.5 25
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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 = R C (5)2 = 5.465 Ω WRD = 1.5 VAT V AR = 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)
ITEM 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
TABLA N° 9.3.- RESULTADOS DE LA APLICACIÓN PARAMETROS TC1 TC2 Burden 7.44 7.44 SNOM 10 10 IP 300 2500 IS 5 5 RT 60 500 Clase precisión 1.2 (ANSI) 1.2 (ANSI) Tensión 115 KV 13.8 KV 2200 2200 Aislamiento (MΩ) Clase térmica F F Tensión aislam. 3 KV 3 KV Tensión máxima 0.72 KV 0.72 KV Factor potencia
N° 7. TCs TC3 25.65 30 1200 5 240 1.2 (ANSI) 13.8 KV 2200 F 3 KV 0.72 KV
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°, W A = 2 (1) = 2 VAT , V AR = 2Sen 0 = 0 Vatímetro: Ø = 72.54°, W A, = 5 (0.3) = 1.5 VAT, MEDIDAS ELECTRICAS II
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V AR = 5 Sen 72.54° = 4.796 VAR Watt-Horímetro: Ø = 53.13°, W V = 5 (0.6) = 3 VAT V AR = 5Sen 53.13° = 4 VAR WTOT = 6.5625 + 1.5 + 7 + 3 + 2 = 20.1 VAT V AR = 0 + 4.796 + 7.14 + 4 = 15.936 VAR S = 20.1 + j 15.936 = 25.65 L38.4° VA CÁLCULO DE LOS TRASFORMADORES DE POTENCIAL Aplicación N° 8.- Seleccionar los TPs y acompañar su hoja técnica sabiendo el cuadro de cargas de la tabla N° 9.3.
TABLA 9.4.- CUADRO DE CARGAS DESCRIPCION
SIMBOLO
Voltímetro
S
FP
V
3 VA
FP = 1.0
F
3 VA
FP = 0.1
Vatímetro
W
5 VA
FP = 0.6
Vari metro
VAR
5 VA
FP = 0.3
Frecuencímetro
Figura N° 9.3.- Circuito aplicativo de TPs y sus cargas Cálculo del TP del lado de 230 KV MEDIDAS ELECTRICAS II
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WC = 0.1313 (I2)2 V: FP = 1; Ø = 0°; W V = 3 (1) = 3 VAT; V AR = 3Sen 0°= 0 VAR W: FP = 0.6; Ø = 53.13°; W V = 5 (0.6) = 3 VAT V AR = 5Sen 53.13° = 4 VAR VAR : FP = 0.3 ; Ø = 72.54°; W VAR = 5 (0.3) = 1.5 VAT V AR = 5Sen 72.54° = 4.77 VAR WT = 3 +3+1.5 = 7.5 VAT; VAR T = 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: W V = 3 VAT; V AR = 0 VAR W: WW = 3 VAT; V AR = 4 VAR F: FP = 0.1; Ø = 84.26°; WF = 3 (0.1) = 0.3 VAT V AR = 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 2200 2200 Aislamiento (MΩ) 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
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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. 5.- GUNTER G. SEIP - Instalaciones eléctricas – Abastecimiento y distribución eléctrica Tomo II, Berlín: Siemens Aktiengesellschaft – 1989. 6.- GUNTER G. SEIP - Instalaciones eléctricas – Abastecimiento y distribución 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: Manuales de operación. 1.- ABB 2.3.4.5.6.-
Alston Arteche Laybolt Lucas New Siemens
Transmission & distribution – transformer medida. WWW.arteche .com Manuales de instrumentación. Manuales de instrumentación. 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. MEDIDAS ELECTRICAS II
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IEC 296 IEC 44-1 IEC44-2 IEC 185 IEC 186A VDE 0414 VDE 0111 ANSI C57-13 VDE 171
Aceites y materiales aislantes. Transformadores de intensidad. Transformadores de tensión. Transformadores de intensidad. Transformadores de tensión. Transformadores de medida. Coordinación de aislamiento 1kv Transformadores de medida. Protegido contra explosiones áreas riesgosas.
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. Amperímetro de cuadro móvil y rectificador. Amperímetro de bimetal. Vatímetro. Fasímetro. Registrador de intensidad. Registrador de potencia. Registrador de factor de potencia. Contador de corriente alterna. Contador de corriente trifásica. Transductor de medida. Sensor de medida. Norma VDE 530 Siemens
0.6 a 1.6 0.15 1.2 a 1.5 0.5 a 1.5 0.8 a 3 2 6 14 1.1 a 2.5 0.32 a 1.1 3 2
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
MEDIDAS ELECTRICAS II
I2N=2A
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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS 1.5 2.5
0.023 0.014
0.58 0.36
4 6
0.009 0.006
0.22 0.15
10
0.004
0.09
Norma VDE 530 Siemens
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 VA 1A
5A
longitud m. simple máxima de la línea
sección (mm²)
2.5
178
2.5
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
Norma VDE 530 Siemens
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 MEDIDAS ELECTRICAS II
1A
5A
1A
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5A
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TRANFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCION NORMALIZADOS Línea de medición 1 Amperímetro
VA VA
0.04
1.07
0.9
21.4
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
2.5
10
5
30
Potencia nominal elegida
VA
Norma VDE 530 Siemens
TABLA 14.5.- CONSUMO DE POTENCIA DE LOS APARATOS DE MEDIDA PARA CIRCUITOS VOLTIMÉTRICOS APARATOS
VA
Voltímetro de hierro móvil. Voltímetro de cuadrado móvil, rectificador. Vatímetro.
0.9 a 4
Fasimetro. Frecuencímetro.
2.5 a 5
1 1
1a3
Registrador de tensión. Registrador de potencia.
1 3
Registrador de factor de potencia. Registrador de frecuencia.
12 13
Contador de corriente alterna. Contador de corriente trifásica.
2a4
Relojes. Conmutadores. Contadores totalizadores.
5a7
Contadores de cómputo a distancia.
2a5
4
2
Transductores de medida.
1.5
Sensores.
2
Norma VDE 530 Siemens
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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 1 2 3 4 5
TENSIÓN DEL ARROLLAMIENTO < 1000 VAC 1000 - 2500 VAC 2501 - 5000 VAC 5001 - 12000 VAC > 12000 VAC
TENSIÓN DE PRUEBA 500 VDC 500 - 1000 VDC 1000 - 2500 VDC 2500 - 5000 VDC 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:
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VALORES MÍNIMOS SEGÚN CLASE DE AISLAMIENTO CLASE TERMICA IP CLASE IP TERMICA NEMA CLASE A 1.5 NEMA CLASE 2.0 F NEMA CLASE B 2.0 NEMA CLASE 2.0 H 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 ÍNDICE DE ESTADO DE ABSORCIÓN POLARIZACIÓN 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 4 - SUPERIOR EXCELENTE SUPERIOR 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 DESCRIPCIÓN VALORES DE LA TENSIÓN GENERAL TENSIÓN APLICADA PRUEBA DE LOS EQUIPOS VAC – Valor aproximado de 2 x VAC MEDIDAS ELECTRICAS II
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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. •
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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE PARA MEDIDA Y PROTECCION Iprimario
Ise cundario
RATIO SIMPLE
RATIO SIMPLE
RATIO DOBLE
RATIO DOBLE
A
A
A
A
A
A
A
5
1
5
5/1
5/5
25 x 50 / 5
25 / 50 : 5
10
1
5
10/1
10/5
50 x 100 / 5
50 / 100 : 5
15
1
5
15/1
15/5
100 x 200 / 5
100 / 200 : 5
20
1
5
20/1
20/5
200 x 400 / 5
200 / 400 : 5
25
1
5
25/1
25/5
600 x 1200 / 5
600 / 1200 : 5
30
1
5
30/1
30/5
1000 x 2000 / 5
1000 / 2000 : 5
40
1
5
40/1
40/5
2000 x 4000 / 5
2000 / 4000 : 5
50
1
5
50/1
50/5
3000 x 6000 / 5
3000 / 6000 : 5
75
1
5
75/1
75/5
4000 x 8000 / 5
4000 / 8000 : 5
100
1
5
100/1
100/5
5000 x 10000 / 5
5000 / 10000 : 5
150
1
5
150/1
150/5
200
1
5
200/1
200/5
250
1
5
250/1
250/5
300
1
5
300/1
300/5
400
1
5
400/1
400/5
500
1
5
500/1
500/5
600
1
5
600/1
600/5
800
1
5
800/1
800/5
1000
1
5
1000/1
1000/5
1200
1
5
1200/1
1200/5
1500
1
5
1500/1
1500/5
DOUBLE RATIO WITH SERIES PARALLEL PRIMARY WINDING
DOUBLE RATIO WITH TAPS IN SECONDARY WINDING
2000
1
5
2000/1
2000/5
3000
1
5
3000/1
3000/5
4000
1
5
4000/1
4000/5
6000
1
5
6000/1
6000/5
8000
1
5
8000/1
8000/5
10000
1
5
10000/1
10000/5
FUENTE: IEEE - STD 242 - 2001, IEEESTD C57.13-1993
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TRANSFORMADORES DE TENS ION
TENSION
TENSION
RELACION
PRIMARIA
SECUNDARIA
TRANSF.
VOLTIOS
VOLTIOS
120
120
1/1
10
240
120
2/1
10
300
120
2.5 / 1
10
480
120
4/1
10
600
120
5/1
10
2400
120
20 / 1
45
4800
120
40 / 1
60
7200
120
60 / 1
75
12000
120
100 / 1
110 - 95
14000
120
120 / 1
110 - 95
24000
120
200 / 1
150 - 125
34500
120
300 / 1
200 - 150
46000
120
400 / 1
250
6900
120
600 / 1
350
BIL KV
FUENTE: IEEE - STD 242 - 2001, IEEESTD C57.13-1993
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