Transformadores de medida (TM), TC y TP

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PROTECCIONES ELECTRICA
TEMA DE INVESTIGACIÒN:
Transformadores de medida (TM), TC y TP
TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO
Los transformadores para instrumento son parte esencial en un sistema eléctrico debido a que se hace posible la medición de los parámetros como voltaje y corriente, tanto para la medición, como para el control y protección del sistema eléctrico.
 
Figura 1. Transformadores de corriente exterior Transformadores de potencia exterior 
 17.5 – 36Kv 13.200/120 – 34.500/120
Bajo el nombre de "transformadores dc instrumento" se hace una designación general para clasificar los transformadores de corriente o los transformadores de potencial, que son dispositivos para transformar con precisión la corriente o voltaje de una magnitud o otra generalmente menor, debido principalmente o las siguientes razones: 
1.- Para reducir en forma precisa a través de la transformación, la magnitud de la corriente primaria o del voltaje del circuito a valores que sean más fáciles de manipular por razones de seguridad de personal. Para los transformadores de corriente, el valor secundario de corriente es 5A y para los transformadores de potencial los voltajes secundarios son 120 o 115V. 
2.- Para aislar el equipo secundario (instrumentos de medición y protección) de los voltajes primarios que son peligrosos. 
3. Para dar o los usuarios mayor flexibilidad en la utilización del equipo, en aplicaciones tales como: medición y protección. Para revisar lo conveniencia y posibilidad de aplicar el mismo tipo de transformador de instrumento para aplicaciones simultáneas en medición y protección.
Las personas familiarizadas con el uso de transformadores de instrumento saben que se usan principalmente en aplicaciones de protección medición, pero también en boquillas de: interruptores, transformadores de potencia generadores. Desde luego se usan también en: 
Subestaciones…. para protección medición.
Generadores…….para protección medición.
INFORMACIÓN BÁSICA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO 
Para las aplicaciones de protección medición, se deben especificar algunas cantidades básicos en los transformadores de instrumento, como son: 
a) La relación de transformación 
La relación de transformación se expresó como el cociente de la cantidad primaria o la cantidad secundaria. Para los transformadores de potencial. 
 
Vp= Voltaje primario de fase o neutro. 
Vs= Voltaje secundario de fase o neutro. 
Para los transformadores de corriente.
 
b) La precisión. 
Para que un transformador de instrumento sea una parte útil de la medición en un sistema, éste debe cambiar lo magnitud del voltaje o de lo corriente que se va a medir, sin introducir ningún error desconocido de lo medición al sistema
c) La carga o burden. 
La carga o burden en el secundario poro un transformador de instrumento es aquello que está propiamente conectada al devanado secundario que determina las potencias activa y reactiva en los terminales del secundario. 
El borden se puede expresar en forma de la impedancia total de la carga expresado en ohms con la resistencia efectiva los componentes reactivos, o bien, como los volt-amperes totales (VR) factor de potencia o un valor de corriente especificado o de voltaje uno frecuencia dada.
LAS CARACTERÍSTICAS GENERALES. 
Los transformadores de instrumento, como se mencionó, pueden ser de dos tipos: 
a) Transformadores de potencial: 
Se usan para transformar o cambiar el voltaje. 
b) Transformadores de corriente: 
Se usan para transformar o cambiar lo corriente.
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TC).
El devanado primario del TC se conecta en serie con el circuito de potencia de alta tensión, puesto que la impedancia del devanado es despreciable con respecto a la del sistema de potencia donde está instalado y aun teniendo en cuenta la carga que se conecta al secundario. Los TC usados para medida son diferentes a los TC usados para protección, tanto en su clase de precisión, como en la carga del secundario. Los TC de medida debe trabajar lo más exactamente posible bajo condiciones normales de operación. Los TC de protección debe operar correctamente entre márgenes muy amplios de carga, desde corrientes mínimas hasta valores varias veces mayores que la corriente nominal.
Los TC pueden llegar a saturarse por las altas corrientes causadas por las fallas cercanas; para evitar esto, debe ponerse cuidado para asegurar que bajo condiciones de falla críticas los TC operen en la porción lineal de la curva de magnetización (véase figura 4.3). en todos estos casos el TC debe ser capaz de suministrar suficiente corriente para que el relevador opere satisfactoriamente. (Castaño, 2003)
La figura 2 muestra la relación típica entre el voltaje secundario y la corriente de excitación determinada en esta forma. en las normas europeas el punto de inflexión es llamado punto de saturación y se define como el punto en el cual un incremento del 10% en el voltaje de excitación produce un incremento del 50% en la corriente de excitación.
Figura 2: Curva de saturación del TC
Características principales de los TC.
a) En un margen muy amplio de variación de la carga secundaria (Burden), la corriente secundaria no sufre cambios apreciables.
b) El circuito secundario de un TC no debe ser abierto si el primario se halla energizado, puesto que los voltajes desarrollados serían limitados únicamente por la impedancia de la rama de magnetización y pueden ser demasiado altos.
c) Los errores de relación y ángulo de fase pueden calcularse fácilmente si la característica de magnetización y la impedancia de carga son conocidas. (Castaño, 2003)
CIRCUITO EQUIVALENTE 
	Figura 3: Circuito equivalente del TC	
SATURACIÓN AC.
Los errores de los TC resultan de la corriente de excitación. Con el fin de comprobar si un TC funciona correctamente, es esencial medir o calcular la curva de excitación. La corriente de magnetización de un TC depende de la sección y longitud del circuito magnético, del número de vueltas en el devanado y de las características magnéticas del material. Así, para un TC dado, y refiriéndose al circuito equivalente de la figura 3, se puede ver que el voltaje en la impedancia de magnetización, ,es directamente proporcional a la corriente secundaria. De esto puede concluirse que, cuando la corriente primaria se incrementa al igual que la corriente secundaria, estas corrientes alcanzan un punto donde el núcleo comienza a saturarse y la corriente de magnetización llega a ser lo suficientemente alta para producir un error excesivo. (Castaño, 2003)
TIPOS DE TC .
Los principales tipos de TC son los siguientes:
1. TC tipo estación o autosoportado.
Es el tipo más común en Alta Tensión y Extra Alta Tensión, existen de dos formas:
• Primario en U: El conductor primario tiene forma de U, el cual va completamente aislado, hasta un tanque con aceite aislante en donde se encuentra el núcleo y los devanados secundarios. Se usa hasta corrientes nominales de 1.6 kA y de Cortocircuito hasta 30 kA (véase figura 4 a).
• Primario pasante o tipo invertido: El núcleo y los secundarios se localizan en la parte superior en donde el primario es sólo una barra pasante. Se usa para altas corrientes nominales y de corto circuito. (véase figura 4 b). (Castaño, 2003)
Figura 4 a: TC tipo de estación primario en U	 Figura 4 b: TC tipo barra pasante.
2. TC tipo devanado (o de arrollamiento primario).
De construcción muy similar a la de un transformador común. Sólo difieren en que el conductor primario es de una gran sección (para conducir corrientes de cortocircuito) y tiene en general vueltas o arrollamientos para dar una relación mayor con menos vueltas en el secundario. (Castaño, 2003)
3. TC tipo ventana.
TC sin primario propio, construido con una abertura a través del núcleo por donde pasa un conductor que forma el circuito primario.
4. Transformador tipo bujeo barra.
Al igual que el tipo ventana no tiene arrollamiento primario, puesto que el conductor o barra primaria cumple esta función. El secundario es arrollado sobre un núcleo toroidal con los suficientes espacios para aislamiento. Son muy usados en los bujes de los transformadores de potencia o en los interruptores. (Castaño, 2003)
TIPOS DE CONSTRUCCIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA ELÉCTRICO.
Se distinguen los siguientes tipos:
1. TC con varios núcleos.
En un TC con varios devanados secundarios aislados separadamente y montados cada uno en su propio núcleo, formando un conjunto con un único devanado primario cuyas espiras (o espira) enlazan todos los secundarios.
2. Primario de relación serie-paralelo.
Tienen en su primario dos secciones idénticas cuya conexión serie o paralelo, pueden cambiarse fácilmente. Se puede duplicar la capacidad corriente sin que ello implique una variación en los amperios-vuelta para el secundario y en la precisión.
3. Secundario de relación múltiple o multirelación.
La relación de transformación puede variar por medio de derivaciones (Taps) en las vueltas del secundario, presentan el inconveniente de la disminución de la capacidad en las relaciones más bajas.
Valores nominales.
1. Corrientes primarias nominales
• De relación sencilla: 10, 12.5, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75 A y sus múltiplos decimales y fraccionarios. (se resaltan los valores comerciales).
• De relación múltiple: Los valores normalizados anteriores rigen para el valor más bajo de la corriente nominal primaria.
2. Corrientes nominales secundarias.
Los valores nominales son 1, 2 y 5 A, pero el valor más usado es 5 A. Pero en Extra Alta Tensión se prefiere usar 1 A en grandes longitudes de cable, uso de equipos de control y protección basados en microelectrónica. (Castaño, 2003)
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP)
Los transformadores de voltaje (también llamados transformadores de potencial) son transformadores de alta precisión en los que la relación de voltaje primario a voltaje secundario es una constante conocida, la cual cambia muy poco con la carga. Además, el voltaje secundario está casi exactamente en fase con el voltaje primario. El voltaje secundario nominal casi siempre es de 115 V, independientemente de cuál sea el voltaje primario nominal. Esto permite utilizar instrumentos estándar y relevadores del lado del secundario. Los transformadores de voltaje se utilizan para medir o monitorear el voltaje en líneas de transmisión y para aislar el equipo de medición de éstas.
La construcción de transformadores de voltaje es similar a la de los transformadores convencionales. Sin embargo, el aislamiento entre los devanados primario y secundario debe ser particularmente grande para soportar el voltaje de línea completo en lado de AV.
Por razones constructivas y de aislamiento, los TP se fabrican normalmente con núcleo rectangular y los secundarios (si hay más de uno) se bobinan sobre el mismo núcleo. No existe por lo tanto independencia entre ellos, a diferencia de lo que ocurre en los TC y la carga de un secundario influye en la precisión del otro. 
Figura 5: transformador de potencial instalado en una línea de 69 KV. Observe la capacitancia distribuida en los devanados.
Figura 6: TP y sus presentaciones.Transformador de tensión con dos secundarios y toma en cada uno de ellos.
Los TP pueden estar destinados a medir la tensión entre fases o entre fase y tierra. En este caso, uno de los terminales primarios está conectado a tierra, interna o externamente al transformador. A partir de cierta tensión (unos 72,5 KV.) todos los TP son del tipo fase-tierra.
A este respecto, una terminal del devanado secundario siempre está conectada a tierra para eliminar el peligro de un choque fatal si se toca uno de los conductores secundarios. Aun cuando el secundario parece estar aislado del primario, la capacitancia distribuida entre los dos devanados establece una conexión invisible, la cual puede producir un voltaje muy alto entre el devanado secundario y la tierra. Conectando a tierra una de las terminales secundarias, el voltaje más alto entre las líneas secundarias y la tierra se limita a 115 V. 
Por lo general, la capacidad nominal de los transformadores de voltaje es de menos de 500 VA. Por consiguiente, a menudo el volumen de aislante es mucho mayor que el volumen de cobre o acero.
CIRCUITO EQUIVALENTE
Los transformadores de potencial se comportan en forma similar a un transformador convencional de dos bobinas. Por lo tanto, el circuito equivalente referido al secundario es el siguiente.
Figura 7: Circuito equivalente TP
Zeq2 = Impedancia equivalente, referida al secundario.
ZL = Impedancia del instrumento (voltímetro, similar).
V2 = Tensión secundaria que deberá ser fiel reflejo de la primaria.
La ecuación de malla en el secundario es:
Por lo tanto
Se observa que la razón de transformación  difiere de a en el coeficiente:
Debido a que ese valor es un número complejo, se observa que existe un error de magnitud y un error de fase.
CAUSA DE ERRORES
· De Relación o De Tensión.- Indica la desviación porcentual de la tensión realmente existente del secundario, V2 con respecto a la que debería existir si el transformador será ideal, V1/Kv 
· De Fase o De Ángulo.- Es la diferencia de fase existente entre los vectores V1 y V2 y se mide en minutos. Este error tiene importancia cuando se trata de medir energía. 
RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO
En redes con tensiones mayores a 220 KV un incremento del 30% por encima del nominal puede comprometer seriamente las aislaciones del sistema. También, tensiones muy por debajo del valor nominal, deben ser evitadas para proteger a las cargas conectadas. Es por ello que, además de los sistemas de medición y registro, existen sistemas de regulación y protección que mantienen el nivel de tensión dentro de los límites establecidos y, si esto no se cumple por condiciones anormales de funcionamiento, efectúan la desconexión del alimentador de la red.
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL PARA PROTECCIÓN
Son los transformadores de tensión destinados a alimentar relés de protección. Si un transformador de potencial, va a ser utilizado para medida y para protección, normalmente no es necesario que existan dos arrollamientos separados como en los transformadores de intensidad, salvo que se desee una separación galvánica. Por ello, en la norma CEI, a los transformadores de potencial para protección se les exige también que cumplan una clase de precisión como transformador de potencial para medida. 
Para un mismo modelo de transformador de potencial, la potencia de precisión, cuando sólo existe un secundario, es superior a la suma de las potencias de precisión de cada secundario, cuando existen dos, pues hay que tener en cuenta el espacio destinado a aislar entre sí ambos secundarios.
Se llama “arrollamiento de tensión residual”, al destinado a formar un triángulo abierto (junto con los correspondientes arrollamientos de otros dos transformadores monofásicos), para suministrar una tensión residual en el caso de falta a tierra.
Debido a la interdependencia existente entre los secundarios de un transformador de potencial, es necesario especificar si las potencias de precisión son simultáneas 
o no, pues si uno de los secundarios está cargado solamente durante cortos períodos de tiempo, puede admitirse que las cargas no son simultáneas.
Los transformadores de potencial para protección, salvo los arrollamientos de tensión residual, deben especificarse también como transformador de potencial para medida.
La clase de precisión, como transformador de potencial para protección, está caracterizada por un número que indica el error máximo, expresado en tanto por ciento al 5% de la tensión nominal. Este número va seguido de la letra “P”. Las clases de precisión normales son: 3P y 6P. 
CARGA
Se define de la misma manera que en el transformador de intensidad. 
La siguiente tabla indica los consumos normales de las bobinas voltimétricas de los aparatos alimentados por los transformadores de tensión:
Tabla1: Consumo de las bobinas voltimétricas en los aparatos alimentados por los TP
Para fines de aplicación, existen dos tipos de transformadores de potencial, uno es de tipo inductivo y el otro es de tipo capacitivo, que se le denomina por lo general como "Dispositivo para Potencial" y que se aplica a sistemas de alta tensión, como por ejemplo. 230 o 400 kv.
El transformador de potencial de tipo inductivo, es un transformador convencional, que tiene un devanado primario que se puede conectar con un sistema, ya sea entre fases o de fase a tierra.
El llamado dispositivo de potencial, es un divisor de voltaje de tipo capacitivo, con una unidad electromagnética y sólo se conecta de fase a tierra.
Las ventajas que ofrece un transformador de potencial, en su aplicación son los mismos que el transformador de corriente, es decir:
1.- Aíslan eléctricamente los instrumentos del circuito primario.
2.- Dan mayor seguridad al personal.
3.- Ofrecen la posibilidad de normalizar las características de los instrumentos de medición.
En el caso de los transformadores de potencial tipo inductivo, su aplicación se encuentra principalmente en mediana y baja tensión, y por consecuencia, conduce a mediciones erróneas.
Clasificación
El factor que influye principalmente en el tipo constructivo de un transformador de potencial, es principalmente el nivel de tensión, y esto determina fundamentalmente el tipo de aislamiento usado, es decir:
· Aislamiento En Aire Para Transformadores De Baja Tensión
· Aislamiento En Aceite o Resina Sintética Para Media Tensión
· Aislamiento En Aceite Para Alta Tensión
(Arboleda Espinoza , Mina Klinger , Reyes Montaño, & Rosado Quiñonez, 2014)
Figura 8: TP para baja tensión
Figura 9: TP para uso interior a) Trifásicos; b) Con un polo a Tierra.
Figura 10: TP para media tensión.
USO DE LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDAS EN LAS PROTECCIONES.
Los sistemas de protecciones eléctricas constituyen el equipo más importante que se incluye en una subestación, por lo tanto, se debe conocer los componentes de un sistema de protecciones, tal como se muestra en la fig. 2.1 son las siguientes: (Segura., 2010)
· Relés de protección 
· Trasformadores de medida
· Disyuntores de poder
· Circuitos de control
Figura 11: Componentes de un sistema de protección
OBJETIVOS DE LAS PROTECCIONES. 
Los objetivos generales de un sistema de protección se resumen así: 
· Proteger efectivamente a las personas y los equipos. 
· Reducir la influencia de las fallas sobre las líneas y los equipos.
· Cubrir de manera ininterrumpida el Sistema de Potencia (SP), estableciendo vigilancia el 100% del tiempo. 
· Detectar condiciones de falla monitoreando continuamente las variables del SP ( I, V, P, f, Z ). 
BIBLIOGRAFÍA
Arboleda Espinoza , A., Mina Klinger , J., Reyes Montaño, R., & Rosado Quiñonez, J. (Diciembre de 2014). Academia edu. Obtenido de https://www.academia.edu/11558675/Transformadores_de_medida
Castaño, S. R. (2003). Protección de Sistemas Eléctricos (Primera edicion ed.). Manizales, Colombia. Recuperado el 28 de Octubre de 2019, de http://www.bdigital.unal.edu.co/3392/1/samuelramirezcastano.2003.pdf
Rosas, R. M. (2014). Protección de sistemas eléctricos de potencia. Barcelona, España. Recuperado el 25 de Octubre de 2019, de https://books.google.com.ec/books?id=KgNqBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=cortocircuitos&hl=es-419&sa=X&ved=0ahUKEwjnga3iwrflAhUkwlkKHb9CDF0Q6AEIJzAA#v=onepage&q=cortocircuitos&f=false
Segura., J. E. (Marzo de 2010). Universidad Politecnica Selesiana sede Guayaquil. Recuperado el 28 de Octubre de 2019, de https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/2093/13/UPS-GT000155.pdf