PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA CÓDIGO: E46623
LABORATORIO N° 02 TRANSFORMADORES DE
“
PROTECCIÓN
”
Chávez Cáceres, Jorge. Ventura Calcina Diego. Alumno (os): Avendaño Fernández, Erick. Dueñas Olmedo, Richard. Grupo:
D
Semestre:
VI
Fecha de entrega:
20
Profesor: I n g . A u g u s t o V a ld ld i v i a G . 09
12
Hora:
8:00
ELECTROTECNIA ELECTROTECNIA INDUSTRIAL PROGRAMA DE FORMACIÓN REGULAR
Nota:
Nro. DD-106
PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
I.
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OBJETIVOS:
II.
Determinar la polaridad de los transformadores de corriente. Utilizar el transformador de corriente como una fuente de corriente constante. Establecer la corriente residual de los transformadores de corriente. Conectar y utilizar transformadores de corriente en sistemas de 3 hilos, 4 hilos. Determinar las características de un transformador de voltaje.
INTRODUCCIÓN: Transformadores de Corriente. Los transformadores de instrumentos tienen la tarea de convertir grandes valores de corriente y voltaje a valores pequeños que son fácilmente aplicables para los propósitos de medición. Los relevadores de sobrecorriente se conectan al elemento protegido a través de transductores primarios de corriente que, proporcionan el aislamiento necesario entre los circuitos primarios y secundarios y suministran a los relevadores señales reducidas de corriente o voltaje proporcionales a la corriente primaria. Existen en la actualidad, distintos tipos de transductores primarios de corriente, entre los cuales están: los electromecánicos que transforman corriente en corriente, los transductores que transforman corriente en voltaje, transductores magnéticos que son sensores de campo magnético de los conductores de línea, los opto eléctricos, en los que la corriente se convierte en señal lumínica y los denominados discretos la información se transmite en forma discreta. Los transformadores de corriente por su aplicación pueden subdividirse en transformadores de medición y protección, no obstante los transformadores de corriente en ocasiones se diseñan para realizar ambas funciones. Su corriente nominal por secundario puede ser de 1 ó 5 Amperios. Este último valor es el más usado en la práctica. Las cargas se conectan en serie en los transformadores de corriente, la cual es una diferencia sustancial con los transformadores de potencial y de potencia. Transformadores de Potencial. Las mediciones de voltajes en sistemas con voltajes nominales arriba de 1000 Voltios, pueden realizarse utilizando transformadores de voltaje. El tipo inducción del transformador es tan pequeño en construcción con una exactitud de relación de transformación, que para todos los propósitos prácticos se operan en condiciones sin carga. La relación de transformación viene dada por la siguiente expresión, la cual se determina por el número de vueltas de los devanados:
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La anotación de los terminales usados para transformadores de voltaje, es U-V para el devanado primario y u-v para el devanado secundario. Ambos terminales están completamente aislados a tierra. Un solo polo aislado de los transformadores esta etiquetado con X y el no aislado con U (Figura)
Figura 2.1: “Transformadores de potencial aterrizados” .
Los transformadores no se cortocircuitan, un cortocircuito en el secundario del transformador destruirá al transformador. Para proteger el lado de alto voltaje se utilizan fusibles HV y también en el lado del secundario se utilizan fusibles de acuerdo a capacidad. Los transformadores de voltaje voltaje deben ser aterrizados en el secundario para protegerlo de altos voltajes en caso de cortocircuitos entre el primario y secundario. se cundario. Las conexiones a tierra deben ser seleccionadas de acuerdo a la magnitud de una posible corriente de cortocircuito. En transformadores de un polo, el terminal X debe ser aterrizado. El voltaje de error de un transformador de voltaje es, el porcentaje de desviación del secundario multiplicado por la relación de transformación del transformador. El error de voltaje se calcula como positivo, si el valor actual del voltaje secundario excede el valor de referencia. El voltaje de error de un transformador de voltaje esta dado por:
Donde:
Fu: error de voltaje en %. U1: voltaje primario en voltios. U2: voltaje secundario en voltios. Kn: relación de transformación.
La clase de exactitud de los transformadores de voltaje para mediciones y aplicaciones de protección, se identifica por un número que da el límite del porcentaje del error de voltaje del voltaje nominal. La relación de transformación de cada transformador de voltaje se selecciona para que bajo condiciones normales de operación (simetría), el voltaje producido en la conexión serie de los devanados auxiliares es 100 V / 3 = 33.3V, con un cambio de fase de 120° entre cada devanado. Bajo condiciones normales de operación la suma de los tres voltajes es cero. El devanado secundario produce un voltaje de 100 V I √ = 57.8 V. La relación de transformación es:
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Polaridad del transformador. La polaridad de un transformador es la característica que describe la dirección relativa de las componentes de voltaje y corrientes de carga en los devanados del transformador. En casi todos los transformadores hay alguna forma de marca, suministrado por el fabricante, para indicar estas propiedades direccionales. Estas marcas se conocen como marcas de polaridad. Cuando existe duda de las marcas de polaridad del transformador puede verificarse con una prueba sencilla, que solo requiere mediciones de voltaje con el transformador sin carga. En esta prueba de polaridad, aplica el voltaje nominal a un devanado, generalmente al que resulte más conveniente para la fuente de voltaje disponible. Se establece una conexión eléctrica entre un terminal de un devanado y del otro. Por lo general las terminales se conectan físicamente más próximas de cada devanado. Enseguida se mide el voltaje entre las terminales restantes, una de cada devanado. Si este voltaje medido es mayor que el voltaje de prueba de entrada, a la polaridad se le llama aditiva y si es menor, se le llama sustractiva. Esta prueba se muestra en la siguiente Figura 2.2.
Figura 2.2: “Esquema para realizar la prueba de polaridad”.
Otro de lso parámetros fundamentales de los transformadores de corriente es su relación nominal de transformación dada por:
Su selección puede hacerse (como una primera aproximación) sobre la base de que la corriente máxima esperada por e! secundario en régimen normal sea menor que la corriente nominal del secundario. Es necesario comprobar el comportamiento del transformador de corriente en régimen de cortocircuito para determinar si en esas condiciones los errores no son excesivamente grandes, de modo que no afecten el esquema de protección. Las normas establecen dos tipos de errores:
El error de transformación de corriente (Eti). El error angular de corriente (EA1).
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Ntc I2 - I1: es la diferencia angular entre el fasor de corriente real secundaria referida al primario y la corriente nominal primaria. ntc: relación de transformación. 11: corriente primaria. 12: corriente secundaria. La corriente residual. En un sistema de tres hilos, la suma de corrientes es cero, en un sistema de cuatro hilos, usando este método, la corriente en el cuarto (en el neutro o una corriente de falla a neutro) puede ser medida. Para cálculos en cargas asimétricas o fallas en una fuente trifásica, se usa un método con componentes simétricas en sistemas de cuatro alambres, ocurre un sistema de secuencia de fase cero, esta corriente de secuencia de fase cero, es:
Puede también ser determinada con una medición de suma de corrientes, como lo muestra esquemáticamente la Figura 2.3.
III. EQUIPO Y MATERIAL A UTILIZAR: Nª. 1 2 3 4 5 6 7 8
Cantidad 1 1 1 1 1 1 2 1
Descripción Transformador de corriente Carga resistiva SE 2666 - 9N transformador de tensión Interruptor de 03 polos. Fuente de alimentación trifásica. Resistencia variable 0-100 ohm. Pinza Pinza am erim erimet etririca ca
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IV. PROCEDIMIENTO:
Transformadores de corriente.
Placa de datos del transformador de corriente. Parte I:”Prueba de polaridad” Paso1. Determinar la polaridad del set de transformadores de corriente, realizando la conexión eléctrica que se presenta en la figura 2.4
Figura 2.4:”Prueba de polaridad”
Paso 2. ¿Qué tipo de polaridad presenta? V1 = 3.1V V2 = 62.5V V3 = 66V Polaridad Aditiva: V3 = V1 + V2
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Paso 3. Explique el por qué de la respuesta anterior: Se inyecta un pequeño voltaje de 3.1 al primario del transformador (V1), según la relación de transformación en el secundario (V2) se obtiene 62.5 y es un valor correcto, por ende la polaridad aditiva se determina sumando estas dos tensiones dando como resultado V3. Indica que en el primario del transformador la corriente entra por un lado y sale por el otro (polaridad asignada), en el secundario la salida y entrada se cambiaran en relación a la polaridad asignada en el primario. Parte III: “Curva característica del transformador de corriente estándar”
Paso 1. Ensamble el circuito de la figura 2.6
Figura 2.6:”Circuito para verificar al corriente de un transformador de corriente estándar” es tándar”
Paso 2. Ajuste la corriente del primario I1, por medio del voltaje del a fuetne variable y con la carga resistiva. Paso 3. Mida I2 en función de I1 y llene los datos en la tabla 2.2: I1(A)
0.601
0.91
1.215
1.495
1.81
2.1
2.51
I2(A)
0.029
0.045
0.06
0.074
0.09
0.105
0.12
Tabla 2.2
Parte IV: “Transformadores de corriente en un circuito trifiliar – sistema trifásico”
En un sistema trifilar IL1 + IL2 + IL3 = 0, lo que implica que IL1= -( IL2 + IL3 ). Cuando dos corrientes se conocen, la tercera puede calcularse. Solo dos transformadores de corrientes se requieren.
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Paso 1. Ensamblar el circuito de la figura 2.7.
Figura 2.7:”Dos transformadores de corriente en un sistema trifásico”.
Paso 2. Con la fuente variable, coloque la corriente I1 e I2 en 0.3 Amperios. Mida I3. I1=I2=0.3 Amperios. El valor de corriente no incrementa significativamente, pero teóricamente si alcanzamos una determinada corriente, esta corriente I3 será igual a I2 y I1. I1(A) I2(A) I3(A)
0.1 0.1 0.1
Paso 3. Sin cambiar el voltaje de la fuente variable, corte la fase de la línea una después de la otra y mida la corriente I1, I2 e I3. Fases L1 Abierto L2 Abierto
I1(A)
I3(A)
I2(A)
0
0.101
0.102
0.098
0
0.101
L3 Abierto
0.098
0.101
0
Tabla 2.3
Parte V: “Transformadores de corriente en sistema de 4 hilos”.
Paso1. Construir el circuito que se muestra en al figura 2.8 y ajustar el transformador variable para que I1 = 0.3 Amperios.
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Figura 2.8: Transformadores Transformadores de corriente en sistema de cuatro hilos” Paso 2. Medir la corriente I1, I2, e I3: I1(A)
0.100
I2(A)
0.102
I3(A)
0.098
Paso 3. Cambiar el punto neutro de los transformadores de corriente como se muestra en la figura 2.9 y mantener I1 en 0.3 Amperios.
Fig. 2.9: “Transformadore s de corriente en sistema de cuatro hilos para un punto neutro diferente”.
Paso 4. Medir las siguientes corrientes: I1(A)
0.102
I2(A)
0.101
I3(A)
0.099
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Paso 5 ¿Qué sucede? Los valores obtenidos son aproximadamente iguales, esta variación se debe a que la primera conexión todos los puntos K del secundario están unidos y el valor de la corriente oscila entre 100 mA. En el segundo caso, los puntos l del secundario están unidos por donde transita la pequeña corriente que varía en las mediciones. Parte VI: “Medición en un sistema principal de tres alambres”.
Paso 1. Construya el circuito de la figura 2.10, observe bien el diagrama y note que le neutro no se conecta.
Figura 2.10: “Circuito para establecer la corriente residual”. Paso 2. Colocar RV a 0 Paso3. Lentamente incremente el voltaje en la fuente de alimentación hasta IL1 = 1.5 Amperios. Paso 4. Misa el valor de I2 I2(A)
0
Paso 5. Varíe RV desde 0 hasta 8 y observe el amperímetro para I 2. I2(A) 0
Parte VII:”Medición de un sistema de cuatro alambres”.
Paso 1. Conecta la cuarta línea (línea neutro) en la figura 2.10, coloque RV a 0 e IL1 a 1.5 Amperios. Paso 2. Mida el valor de I 2. I2(A) 0.076 Paso 3. Coloque RV en 8 e IL1 EN 0.3 Amperios. I2(A) 0.081
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Paso 4. Con los datos tomados en la Parte VI y VII, calcule la corriente de secuencia cero:
I0(A) 0.0766
Conexión de transformadores para cada tipo de medición. V.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS. 1. De los resultados obtenidos en la parte I, dibuje el transformador con su punto de polaridad.
2. Con papel milimétrico dibujar la curva característica del transformador de corriente de la parte III.
Curva caracteristica del transformador 3 2 e t n 1 e i r 0 r A
o C
0
2
4
6
8
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Curva caracteristica del transformador 0.15 A e t n e i r r o C
0.1
0.05 0 0
2
4
6
3. Dibuje el circuito equivalente de un transformador de corriente.
Donde:
8
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VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA. 1. Con respecto a los transformadores, ¿que otra prueba de polaridad conoce, descríbala y utilice esquemas en su explicación? POLARIDAD POR PULSO INDUCTIVO: Se realiza el circuito detallado en la figura, usando una batería de 1.5 a 12 V y un instrumento analógico de bobina móvil (CC), en el devanado de BT, con la sensibilidad suficiente para obtener una pequeña deflexión o indicación. Al cerrar el interruptor, se aplica un pulso de corriente que entra por el marcado por asterisco. Si en el lado de BT, el borne con asterisco es homólogo del anterior, el pulso de corriente es transferido, hará deflectar a la aguja en el sentido positivo .
EL MÉTODO DEL TRANSFORMADOR PATRÓN: Este método consiste en comparar el transformador aprobar con un transformador denominado PATRÓN de polaridad conocida que tenga la misma relación de transformación, la conexión se hace de acuerdo con lo indicado en la siguiente figura. Se aplica una tensión reducida a los devanados de alta tensión que deben estar conectados en paralelo (con esto se definen H1 y H2 del segundo transformador), una vez que están eléctricamente conectados a las correspondientes terminales del primer transformador, se registra el valor medido por el voltímetro. Si este valor fuera cero o prácticamente cero, los dos transformadores tienen la misma polaridad, fijando de esta forma conocida la marcación de las terminales del transformador en prueba, si la lectura difiere de la fem del secundario de uno de los dos transformadores obtiene un valor próximo a éste, se sabe que la marcación de las terminales del segundo transformador es en secuencia opuesta al primero.
2. ¿Qué tipos de transformadores de corriente existen en el mercado? BAJA TENSION TI Toroidales Es un transformador de intensidad sin conductor primario y aislamiento primario, que puede ser montado sobre un cable aislado. Características asignadas Máxima tensión nominal para el equipo (kV)
0.72
Corriente primaria (A)
max. 10 000
Corriente secundaria (A)
1o5
Frecuencia (Hz)
50 o 60
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Características
Tipo seco para uso interior, aislado en bloque de resina. Para medida y protección. Disponible para la mayoría de normas eléctricas.
ALTA TENSION Transformador de corriente de alta tensión 72.5 - 800 kV | TG
3 ¿E xiste alguna diferencia entre transformadores de instrumentos y transformadores de corriente? El T .I. difiere del transformador de potencia en su forma de trabajo:
En primer lugar, el arrollamiento primario de un transformador de intensidad, se conecta en serie con la línea o circuito cuya intensidad se desea medir, mientras que el transformador de potencia se alimenta en derivación. En segundo lugar, las impedancias de carga del T.I. en el secundario son bobinas amperimétricas que corresponden a los aparatos de medida, luego con valores muy bajos, lo que significa que trabajarán muy próximos al cortocircuito en el secundario. En tercer lugar observar que, a diferencia de los transformadores de potencia, por el primario del T.I. circulará una intensidad independientemente de la carga conectada en el secundario. Por último, el primario del T.I. no está sometido a la tensión de la red, sino que en Bornes, solamente se produce una simple caída de tensión. Esta caída de tensión debe ser necesariamente pequeña, ya que de otra forma, se alteraría excesivamente el funcionamiento del circuito objeto de medida. Sólo interesa tenerla en cuenta a la hora de analizar los errores de medida.
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4. ¿Qué sucedería si a un transformador de corriente se le coloca un fusible de protección a la salida del secundario, es correcto hacerlo? No sería correcto por que la presencia del flujo remanente en el núcleo magnético, puede provocar errores en la medida del transformador ademas de que el secundario del transformador no tiene que estar en condición de abierto. 5. ¿Cómo se representa simbólicamente en las diferentes normas eléctricas los transformadores de potencial y los transformadores de corriente?
6. ¿Cuáles son las precauciones que se deben de tener al conectar y manipular transformadores de corriente en un circuito energizado? El devanado secundario siempre debe estar cortocircuitado antes de desconectar la carga. Si se abre el circuito secundario con circulación de corriente por el primario, todas las ampervueltas primarias son ampervueltas magnetizantes y normalmente producirán una tensión secundaria excesivamente elevada en bornes del circuito abierto. Todos los circuitos secundarios de los transformadores de medida deben estar puestos a tierra; cuando los secundarios del transformador de medida están interconectados; solo debe ponerse a tierra un punto. Si el circuito secundario no esta puesto a tierra, el secundario, se convierte, de hecho, en la placa de media de un condensador, actuando el devanado de alta tensión y tierra como las otras dos placas. 7. ¿Que tan importante es conocer la polaridad de los transformadores? Es muy importante ya que si se coloca de la forma errónea en transformadores de corriente para medida o para protección, los equipos que están siendo alimentados van ha recibir datos que no son los reales.
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VII. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES.
Pudimos determinar la polaridad de los transformadores de corriente con el método de los tres voltímetros. Estos transformadores son generalmente usados para que la corriente sea fácilmente aplicable para propósitos de medición. Estos transformadores de corriente se dividen en 2, en transformadores de medición y de protección. La corriente nominal en el secundario puede ser de 1 a 5 amperios. Mayormente se usa el de 5 amperios en la práctica. Las cargas se deben en serie a los transformadores de corriente. La polaridad esta como una marca en el transformador, pero en caso no se sepa hay una forma sencilla para poder determinar la polaridad que solo requiere una medición de voltaje en el transformador sin carga. En esta prueba se le aplica tensión nominal a un devanado, se establece una conexión eléctrica entre un terminal del devanado y del otro, enseguida se mide el voltaje entre las terminales restantes, una de cada devanado, si este voltaje medido es mayor que el voltaje de prueba de entrada, a la polaridad se le llama aditiva y si es menor se le llama sustrativa. Es necesario comprobar el comportamiento del trafo de corriente en régimen de cortocircuito para determinar si en esas condiciones los errores no son excesivamente grandes de modo que no afecten el esquema de protección. En un sistema de 3 hilos la suma de corrientes es 0.