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lunes, 14 de septiembre de 2015

Control y pruebas en transformadores de tensión (TT) e intensidad (TI)



Transformadores de tensión e intensidad

 Acoplamiento de transformadores de tensión

 Los transformadores de tensión se montan en paralelo con la línea y en lo que se refiere al número y sistema de acoplamiento, tendremos en cuenta los siguientes aspectos:

a)   Cuando se trata de un solo transformador, la polaridad de los bornes de conexión no tiene importancia. La conexión que más se emplea es la de fase-tierra el borne P1 va siempre conectado a la línea (Fig. 1).

En relés, la práctica habitual es medir la tensión primaria y la secundaria en tensiones de línea a línea. En otras palabras la tensión de fase a fase en el secundario es generalmente 110 V. Cuando los relés son de tensión de fase a tierra, sus bobinas tienen una tensión nominal secundaria de:


               Figura 1: Conexión de un transformador monofásico fase - tierra

b)   Para las protecciones direccionales contra cortocircuitos entre fases y para la medida de energía o potencia activa y reactiva, basta por lo general, con dos transformadores de tensión conectados en V. En estos casos, es preciso respetar las polaridades de los transformadores (fig. 2).

Esta conexión es de escasa aplicación en centros de transformación y subestaciones eléctricas.


             Figura 2: Conexión en V de dos transformadores de tensión

c)   Para la medida y protección en una red trifásica como la de un centro de transformación ó subestación, se utilizan tres transformadores monofásicos, conectados normalmente en estrella (fig. 3).

d)  Para las protecciones contra defectos a tierra, se exige generalmente tres transformadores de tensión, con los devanados de A.T. conectados en estrella y los devanados de B.T. conectados en triángulo abierto. Esto nos permite medir la tensión entre neutro y tierra (Fig. 4).
e)  Es práctica habitual utilizar además de los devanados de B.T. para la medida y protección, un devanado de las mismas características para conectarlo en triángulo abierto con los de las otras fases, para proteger los transformadores de los fenómenos de resonancia provocados por oscilaciones de tensión ajenos a los mismos, una puesta a tierra accidental de un conductor, etc. Este triángulo cierra sobre una resistencia que absorbe la energía acumulada en los transformadores (Fig. 4 y 5).

NOTA:

Cuando sea necesario sustituir un transformador, se debe comprobar y dejar constancia por escrito de donde y como estaban conectados los bornes y cables.


Figura 3: Conexión de tres transformadores monofásicos, 
conectados en estrella.


Figura 4: Conexión de tres transformadores
con primario en estrella y secundario
 en triángulo abierto.


Figura 5: Conexión de transformadores con dos secundarios.

Marcado de las placas de características.

Según la norma UNE 21088, deben consignarse los siguientes datos:

· El nombre del fabricante o una indicación que permita fácilmente su identificación.
· El número de serie cuyas primeras cifras corresponderán a las dos últimas del año de fabricación.
· El tipo de aparato.
· Las tensiones nominales primarias y secundarias.
· La frecuencia nominal.
· Las potencias de precisión, las clases de precisión y la designación de los bornes correspondientes a cada arrollamiento.
· La tensión nominal de aislamiento y separada por un trazo oblicuo la tensión de ensayo a frecuencia industrial.
· El símbolo del factor de tensión, si es necesario, grabado a continuación de la tensión primaria o secundaria nominal. 

                                             

Pruebas funcionales

· LIMITACIONES Y PRECAUCIONES

-  El transformador debe estar desconectado.
-  Se pondrá a tierra el equipo cuando sea necesario, siendo controladas las puestas  a tierra por una sola persona.
-  Se seguirán procedimientos de seguridad para dejar el equipo fuera de servicio.
-  Bajo ninguna circunstancia debe cerrarse el circuito secundario, como no sea a través de una gran resistencia.

· RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

Utilizar un equipo de medida de resistencia de aislamiento de 1.000 V c.c. en transformadores de B.T. y 5.000 V c.c. en los de M.T., para comprobar el aislamiento de:

-  Alta (P1) contra baja (S1).
-  Alta (P1) contra tierra (*)
-  Baja (S1) contra tierra. (*)



(*) Esta prueba no tiene razón de ser cuando el transformador de tensión (TT) sea para conexión fase a tierra.



  Figura 6: Ejemplo de la prueba de aislamiento de A.T. contra tierra

La resistencia de aislamiento mínima será de 1,5 MΩ por cada kV. o fracción de la tensión nominal.

· PRUEBA DE POLARIDAD

Es importante hacer una llamada de atención referente a esta prueba.

Por razones de seguridad la tensión de C.A. utilizada para esta prueba se conectará siempre al devanado de A.T. del transformador objeto de la prueba.

No debemos olvidar que los transformadores de tensión son reversibles, esto quiere decir, que si alimentamos el secundario, (Bornes S1 – S2) a una tensión discreta, en los bornes de A. T. (P1 – P2) obtendremos el valor de la misma multiplicado por la relación de transformación. (Ver ejemplo en la figura siguiente).

Por ello, debemos precisar, que al hacer el acopio de voltímetros, debemos pensar con que tensiones vamos a trabajar para poder elegir los voltímetros con el rango de escala apropiado para cada caso.

La polaridad o correspondencia de bornes en un transformador de tensión, se determina teniendo presente que una de sus características es que el ángulo de desfase entre la tensión primaria V1 y secundaria V2, es aproximadamente 0º para un sentido apropiado de la corriente.


Figura 7: Conexión incorrecta de un transformador de tensión 
para prueba de polaridad y relación de transformación
¡Peligro en terminales P1 y P2: 4.535 V!


Figura 8: Designación de bornes de los transformadores de tensión


           Figura 9: Relación de tensiones en un transformador de tensión

Por lo tanto para realizar la prueba de polaridad en un transformador de tensión, bastará con alimentar el devanado P1-P2 con una tensión alterna después de realizar las conexiones, tal como se indica en la figura 10.


                                      Figura 10: Esquema de conexiones para la prueba

Cuando la tensión media en V3 sea la suma de V1 + V2 nos indicará que la polaridad es correcta.

V3 = V1 + V2   Polaridad correcta.

Cuando en vez de la suma, la tensión medida en V3 sea igual a la diferencia de V1 – V2 nos indicará que la polaridad es incorrecta.

V3 = V1 – V2   Polaridad incorrecta.

· RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

Para llevar a cabo esta prueba, se tendrá en cuenta la llamada de atención realizada para la prueba de polaridad.

-    Conectar el transformador según el esquema de conexiones de la figura 11, en este caso se trata de un transformador de tensión de B.T.
-   Comprobar que el variador de tensión está desconectado y en la posición inicial (0), observar que su indicación en V1 es cero voltios.
-   Calcular la relación de transformación nominal del transformador.
 Calcular en función de la tensión disponible para la prueba y la relación de transformación nominal, distintos valores de tensión y anotarlos de menor a mayor en las casillas que hacen referencia a la tensión primaria P1 – P2.

       
Figura 11: Esquema de conexión de un TT de BT. Prueba de relación.

-   Comprobar la relación de transformación real en cada caso, empezando con el valor de tensión más bajo que mediremos con V1 y con V2 la tensión de respuesta.


 Acoplamiento de transformadores de intensidad

Los transformadores de intensidad se conectan en serie con la línea, en cuanto al número y sistema de acoplamiento de éstos, se puede tener presente todo lo dicho para los transformadores de tensión.

Es práctica habitual emplear T.i. con dos secundarios, uno para medida y otro para protección. A continuación se expone algunos de los métodos de instalación más empleados:

A.- Las protecciones contra cortocircuitos entre fases necesitan generalmente transformadores de intensidad sobre dos fases (Figura 12).


         Figura 12: Conexión de dos TI a tres hilos

Los transformadores de intensidad se instalan con los bornes P1 mirando a las barras de la Subestación Eléctrica. Es importante no pasar por alto este detalle, por si nos vemos en la necesidad de sustituirlos en algún momento.

B.- Las protecciones contra defectos a tierra, necesitan siempre tres transformadores de intensidad sobre las tres fases, con los secundarios conectados en estrella (Figura 13).

Esta disposición, dos de tres transformadores de intensidad es típica en posiciones con tensiones de servicio igual o superior a 45 kV.


Figura 13: Instalación de tres TI con los secundarios conectados en estrella.

C.- Otra posibilidad de conexión de los devanados secundarios es la conexión triángulo y se suele aplicar en las posiciones de transformadores de potencia cuando la protección diferencial del mismo así lo requiere. Ver en la Figura 14, las dos posibilidades que tiene esta conexión.

Cuando se unen TI conectados en triángulo no se debe pasar por alto el factor raíz de 3.



                                            Figura 14: Conexiones de TI en triángulo

Marcado de las placas de características

Los transformadores de intensidad deben llevar, como mínimo, las indicaciones siguientes:

· El nombre del fabricante o una indicación que permita fácilmente su identificación.
· El número de serie y la designación del tipo
· Las intensidades nominales primarias y secundaria (por ejemplo, 100/5 A)
· Las tensiones nominales primarias y secundarias.
· La frecuencia nominal.
· La potencia de precisión y la clase de precisión correspondiente (por ejemplo, 30 VA. Clase 0,5).
· El nivel de aislamiento nominal (por ejemplo, 50/125 kV).

Pruebas funcionales

El objeto de las pruebas que se exponen en este apartado es el siguiente:

1.- Determinar la resistencia de aislamiento del transformador de intensidad.
2.- Determinar que la polaridad es correcta.
3.- Determinar la relación de espiras.
4.- Obtener la curva de saturación de la excitación para determinar la tensión máxima en el secundario.
5.- Las pruebas se realizan en todos los secundarios del T.i.-

En el anexo se adjunta la gama de pruebas del T. I. para realizar estas experiencias. El equipo que se utiliza consta de un inyector de intensidad, un variador de tensión, dos amperímetros, dos multímetros, una pila de petaca y un megóhmetro de 500 V.


· LIMITACIONES Y PRECAUCIONES

-    Asegurar que el circuito secundario del transformador de intensidad no está abierto a la vez que  energizado.
-  El transformador deberá estar correctamente terminado o cortocircuitado antes de la energización del circuito primario.
-    Se tendrá especial cuidado y precaución cuando se apliquen corrientes al primario o tensiones al secundario. Aislar todos los restantes circuitos de transformadores de intensidad que estén interconectados con el transformador o transformadores bajo prueba. Aislar los relés de protección y dispositivos de medida cuando sea necesario, por ejemplo, los relés diferenciales.


· PRUEBA DE AISLAMIENTO

Utilizar un probador de resistencia de aislamiento para medir el aislamiento del TI Se aplicaran 500 V entre el devanado secundario y tierra y entre primario y secundario en los de B.T. La resistencia de aislamiento no suele ser menor de 5 MW, (mínimas: 8 MW para transformadores cuyo nivel corresponde a media tensión y 2 MW para baja tensión).

En los transformadores de M.T. se mide el aislamiento entre el primario y el secundario con tensión de 5.000 V.


Figura 15: Prueba del aislamiento de un  TI

· PRUEBA DE LA POLARIDAD

Debemos tener en cuenta la designación de los bornes de los TI que según la norma UNE 21.088 son los siguientes:


Figura 16: Marcado de los bornes de los TI

Las marcas P1, P2, C1 y C2 designan los bornes de arrollamiento primario y las marcas S1, S2, etc., designan los bornes del arrollamiento secundario.


En cuanto a la polaridad los bornes con las marcas P1, S1, C1 deben ser de la misma polaridad.



Figura 17: Sentido instantáneo de la corriente en un TI


Una corriente alterna sabemos que continuamente cambia de polaridad, se puede preguntar cuál es el significado de las marcas de polaridad. Su significado está en que muestra la dirección del flujo de la corriente relativo a otra corriente o a una tensión y que también ayuda a realizar las conexiones apropiadas.

Figura 18: Prueba de polaridad instantánea de un TI


Si los TI no estuvieran interconectados, o si la corriente de un TI no tuviese que cooperar con la corriente de otro TI o con una tensión de una fuente de tensión para producir algún resultado deseado, tal como un vatímetro, no habría necesidad de las marcas de polaridad.
La prueba de polaridad instantánea de un TI se realiza por medio de una fuente de potencia de corriente continua (por ejemplo una pila de petaca, Figura 19) y un voltímetro de corriente continua.

Figura 19: Representación de la prueba de polaridad.

El procedimiento sería el siguiente:

a)  Conectar el voltímetro en el secundario del TI, la polaridad + en el borne S1 y en el S2 la polaridad -.

b)   Conectar el negativo de la pila al borne P2 y con el borne + tocar intermitentemente al borne P1, comprobando que la aguja del voltímetro se desplaza hacia la derecha, cada vez que tocamos P1.

El resultado de la prueba de polaridad es correcto cuando el desplazamiento de la aguja es hacia la derecha en caso contrario, si la aguja se desplaza hacia la izquierda, existe la posibilidad de error en los bornes o en las conexiones.

· DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN

Para determinar la relación de espiras del TI, alimentaremos por el primario y tomaremos lecturas de la corriente primaria y secundaria, con el secundario cortocircuitado a través del amperímetro.



 Figura 20: Esquema de conexión de la prueba de relación.


Procedimiento:

-     Si el TI dispone de varios secundarios, cortocircuitar los que no sean objeto de la prueba.
-     Realizar las conexiones de la Figura 20
-     Comprobar que los equipos están en posición de parada o desconectados.
-     Calcular la relación de transformación nominal del TI
-    Para la prueba de inyección de intensidad se debe calcular un mínimo de cinco valores, por ejemplo el 100%, 200%, 300%, 400% y 500% del valor de la relación nominal.

Si la relación nominal del TI es:  


Obtendremos unas intensidades de inyección de corriente en el primario de: 100, 200, 300, 400 y 500 A.

-   Registrar en la gama de pruebas las lecturas obtenidas en el secundario, amperímetro (A2), para cada valor de intensidad inyectada en el primario (Figura 26)
-    Con los valores obtenidos se puede calcular la relación real del TI

· PRUEBA DE SATURACIÓN

Los transformador4es de intensidad deben asegurar la protección conservando una precisión suficiente para las intensidades que alcancen valores varias veces superiores a la intensidad nominal.

En los transformadores de medida el error es pequeño para las corrientes nominales, pero a niveles de corriente elevada, como ocurre en un cortocircuito los errores de relación les hace generalmente inservibles para fines de protección.

Los transformadores de intensidad destinados indistintamente para la medida y la protección, deberán cumplir todas las condiciones especificadas en cada caso.


Figura 21: TI para medida y protección.

Por las razones expuestas, en los TI de protección es importante determinar el FACTOR DE PRECISION que se define como la relación entre la intensidad límite de precisión nominal Ilp y la intensidad primaria nominal lpn


 Los valores normales de los factores límite de precisión son: 5 – 10 – 15 – 20 – 30

La clase de precisión en un TI para protección se designa por un número (índice de clase) y la letra P (inicial de protección).

Las clases de protección normales de los TI de protección son: 5P y 10P

En la placa de características viene indicada la clase de precisión seguida del factor límite de seguridad y a continuación de la potencia de precisión:

30 VA clase 5P20

la cual nos indica un error del 5% a 20 veces la intensidad primaria nominal Ipn alimentando una carga de 30 VA.

Puede darse el caso de que sea preciso comprobar la respuesta del transformador de intensidad al nivel de corriente máxima de cortocircuito prevista para determinar la respuesta del relé de protección en tales circunstancias.


Figura 22: Esquema de la prueba para determinar la intensidad de excitación.

Esta comprobación se puede realizar siguiendo un método que consiste en determinar la corriente que circula por el secundario (intensidad de excitación del TI) en función de la tensión aplicada en sus bornes estando el primario a circuito abierto, Figura 22.

Con los pares de valores tensión (V) corriente (I) confeccionamos la curva de magnetización en un sistema de coordenadas.


Figura 23: Curva característica de la excitación secundaria de un TI

En abscisas se indican las intensidades de excitación y en ordenadas los voltios en bornes del devanado secundario.

A partir de los datos de la curva es ahora factible calcular el error de relación del TI para una determinada condición, aplicando la siguiente fórmula:


 En la cual:  e = error de relación en %
                  Iex = intensidad de excitación para una tensión dada.
                  Isn = intensidad en el secundario del TI teórica.

Las curvas de magnetización nos sirven también para saber la tensión máxima en el secundario de los transformadores. Gracias a esto podemos identificar si la carga Z conectada al secundario de un TI es la correcta. Veamos el ejemplo siguiente:

a)      Relación de transformación nominal  100/5
b)      Características de clase y precisión  5P20
c)      Potencia nominal  30 VA
d)      Carga Z en el secundario 1.2 W (de los relés y los TI)
e)      Curva de magnetización de la Figura 23.

De acuerdo con el factor límite de precisión Flp de valor 20 para una carga Z de 1.2 W precisamos una tensión en el secundario de 120 V. (comprobar en la curva).

                 
Esto supone que con una intensidad en el primario de 2.000 A. Debe responder el transformador con una tensión de 120 V, en el secundario.

Si la carga en el secundario Z2 fuese de 10 W precisaremos una tensión máxima de 1.000 V:


 Como por diseño el transformador previsto no es capaz de dar más de 120 V sin saturarse (ver curva), sacamos la conclusión que la elección del TI para la nueva carga no es correcta.

Los límites de los errores para la potencia de precisión y la frecuencia nominal no deben exceder de los valores indicados en la siguiente tabla:

Clase  de
precisión
Error de intensidad
a la corriente nominal
%
Error de fase a la
corriente nominal
Error compuesto a
corriente límite de
precisión
Minutos
Centirradianes
5P
± 1
± 60
± 1,8
5
10P
± 3
-----
-----
10

Para la prueba utilizaremos un variador de tensión, un voltímetro y un amperímetro con escalas múltiples, los dos últimos aparatos pueden sustituirse por dos multitester.

El procedimiento de la prueba es el siguiente:

-  El transformador objeto de la prueba debe estar aislado de las cargas conectadas en los secundarios, debe estar en vacío.

-     Conectar los aparatos de prueba como se indica en la Figura 24
-     Comprobar que el variador de tensión se encuentra desconectado y en la posición cero (0).
-    Comprobar partiendo con el variador de tensión en la posición cero, la intensidad mínima de excitación. Esta se obtiene para una tensión mínima de respuesta, medida en el voltímetro V.
-   Conocida la intensidad mínima de excitación, registrar en la gama de procedimientos este valor y el de la tensión, proseguir con valores superiores y escalonados hasta que observemos que la tensión no varía de valor (el núcleo se ha saturado), aunque se incremente la intensidad de excitación.


   Figura 24: Esquema de conexión para la prueba de saturación.


-     Para evitar perjudicar el TI ensayado, no prolongar esta prueba con el núcleo saturado.
-   Registrar los valores de intensidad y tensión en la gama de pruebas y dibujar la curva correspondiente (Figura 25 y 26).


Figura 25: Curva de magnetización, Resultados.


Figura 26: Ejemplo de gama de mantenimiento de Transformadores de Intensidad

En las presentes prácticas se han utilizado equipos básicos de medición y prueba para facilitar la comprensión de las mismas, sin embargo existen equipos sofisticados de prueba en el mercado que realizan de forma automática estas medidas y la elaboración de informes, tal es el caso, por ejemplo, del equipo CT Analyzer de Omicron que se presenta en el siguiente video

VIDEO: Pruebas de TC de protección con CT Analyzer de Omicron


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Ensayos generales de relés de protección



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