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Universidad de Santiago de Chile - USACH

Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica

Laboratorio de Protecciones y Mantención Eléctrica Experiencia Nº1

TRANSFORMADORES DE MEDIDA.

Integrantes: Claudio Paredes C. Natalia Paredes C.

Profesor: César Ferreira Fecha de experiencia: 11 de noviembre de 2015

Fecha Entrega: 15 de noviembre de 2015

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Índice

Introducción teórica 3

Objetivos de la experiencia 5

Materiales utilizados 5

Desarrollo de la experiencia 6

Análisis de resultados 7

Conclusiones 14

Referencia y bibliografía 14

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Introducción teórica En el presente trabajo, se llevó a cabo el montaje y respectivas medidas de un transformador de media, lo cual nos permitió conocer las características que lo conforman. Por definición, los TT/MM son los transformadores de intensidad destinados a alimentar los aparatos de medida, contadores y otros aparatos análogos. Los usos principales de un TT/MM son:

Aislar al personal de operación cuando efectúa intervenciones, así como también al equipo

eléctrico secundario del equipo eléctrico primario de alta tensión

Disponer de corrientes y voltajes en magnitudes normalizadas: Esto facilita el uso de instrumentos, protecciones y otros elementos que se deben conectar a estas magnitudes

Permitir efectuar medidas remotas: Por las características de los TM, los instrumentos de

medida se pueden ubicar en lugar relativamente lejano (100 a 150 m) del punto de ubicación de los TM

Permiten efectuar aplicaciones en protecciones y medidas: Mediante la interconexión adecuada de los secundarios de los TM es posible sumar vectorialmente voltajes y corrientes y obtener la componente de secuencia cero de voltajes y corrientes en condiciones de operación desequilibradas, de gran utilidad en protecciones direccionales contra fallas monofásicas

Protección de instrumentos al ocurrir cortocircuitos: Los Transformadores de Corriente (TCs) para medida presentan un alto grado de saturación. En ellos la saturación se produce para una corriente superior a 1,2 veces la corriente nominal. Los TCs que no tienen una saturación apreciable con corrientes del orden de 20 a 30 veces la corriente nominal son aplicables en protecciones

Dentro de los TT/MM se encuentran los transformadores de corriente (TC), los cuales se utilizarán en esta experiencia. En un TC la corriente secundaria es, dentro de las condiciones normales de operación, prácticamente proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ángulo cercano

a cero, para un sentido apropiado de conexiones. El primario de dicho transformador está conectado en serie con el circuito que se desea controlar, en tanto que el secundario está conectado a los circuitos de corriente de uno o varios aparatos de medición, relevadores o aparatos análogos, conectados en serie. Dentro de las características de los Tcs tenemos diferentes aspectos importantes que considerar para esta experiencia:

Clase de precisión, la cual está caracterizada por un número (índice de clase) que es el límite

del error de relación, expresado en tanto por ciento para la intensidad nominal primaria estando alimentando el transformador la “carga de precisión”. Las más usuales que definen las normas VDE 0414 (IEC) y ASA (ANSI C57.13) son: VDE 0414 ( o IEC): 0,1 ; 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 ASA ( o ANSI/IEEE C57.13): 0,3 ; 0,6 ; 1,2

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Burden, es la impedancia del circuito exterior alimentado por el arrollamiento secundario,

expresada en Ohmios, con indicación de su factor de potencia. Puede ser indicada también por su factor de potencia y la potencia aparente en voltio-amperios, que absorbe para la intensidad secundaria nominal. La Norma de VDE (alemana) y ASA (americana), definen distintos valores de factor de potencia normalizado del Burden: Para VDE es 0,6 y para ASA

es 0,9 y 0,5.

Saturación en el núcleo, donde, para la aplicación de TCs en “PROTECCIONES” o en

“MEDIDAS”, se usan diferentes tipos de núcleos en cuanto a su características magnética, esto es, núcleos que alcanzan la saturación para valores de corriente primaria poco mayor que la I nominal y núcleos en lo que dicho fenómeno ocurre para valores muy altos de la corriente primaria. La siguiente figura ilustra ambas situaciones:

1. Para uso en medidas 2. Para uso en protecciones

1. Para uso en Medidas: El núcleo del TC se satura para corrientes superiores a 1,2 veces la corriente nominal. Ello protege a los instrumentos en condiciones de operación anormal del Sistema de Energía (corrientes de cortocircuito.).

2. Para uso en Protección: El núcleo del TC no presenta una saturación apreciable con

corrientes del orden de 20 a 30 veces la corriente nominal. Esto ya que debe ser capaz de

reflejar fielmente la magnitud de las corrientes en condiciones de operación anormal del Sistema de Energía, de modo que los relés (equipos de protección) realicen su función adecuadamente.

Índice de saturación, es el cuociente entre la corriente primaria medida y la corriente primaria nominal cuando la corriente secundaria presenta un error de – 10%, esto para burden nominal

y factor de potencia 0,6.

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Objetivos de la experiencia

Familiarizarnos con el uso y funciones de un transformador de corriente, tanto para medición como para protección, entender sus normas y clases de precisión.

Entender el concepto aplicado de BURDEN y qué sucede cuando variamos la magnitud de este en los TT/MM.

Mediante pruebas de laboratorio, se busca comprender la naturaleza y comportamiento de los

TT/MM al momento de saturarse y descubrir si el transformador de corriente que utilizaremos corresponde a uno de medición o de protección.

Materiales utilizados Para la realización de la experiencia se utilizaron los siguientes elementos.

1 Transformador de corriente 1 Voltímetro de 0-220 [V] digital 2 Amperímetro de 0-15 [Amp] análogo 1 Amperímetro digital 1 década de resistencia con capacidad de 7 [A] máx Herramientas eléctricas Cables de conexión

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Desarrollo de la experiencia

En esta experiencia buscamos:

1 - Obtener la característica de excitación de un transformador de corriente 2 - Determinar experimentalmente las curvas de saturación de transformadores.

1) Para esto se monta el siguiente circuito y a partir del burden nominal, se obtendrá la curva de

excitación haciendo variar el burden de trabajo con I1 constante. La siguiente tabla señala los valores del voltaje y corriente, tanto en el primario como en el secundario, Posterior a esto, se podrá encontrar el valor del burden de trabajo y la variación de la razón de transformación según cada caso.

Circuito a implementar: 1

Datos obtenidos:

Zb [ohm] I1 [A] I2 [A] V2 [V]

0,00 9 4,50 0,505

0,04 9 4,50 0,674

0,08 9 4,50 0,853

0,12 9 4,45 1,072

0,16 9 4,45 1,138

0,20 9 4,45 1,346

0,24 9 4,45 1,566

0,28 9 4,45 1,687

0,32 9 4,45 1,850

0,36 9 4,45 2,003

0,40 9 4,40 2,220

0,80 9 4,40 3,800

1,20 9 4,35 5,450

1,60 9 4,25 7,020

2,00 9 4,15 8,460

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Análisis de resultados

Índice de Saturación para diferentes tipos de burdens: Para poder determinar el índice de saturación, primero es necesario obtener los parámetros de magnetización I0 y Z0, para lo cual se utilizara la siguiente formula basado en el circuito equivalente del circuito 1. Sabiendo que la razón del transformador es 10/5 [A], ósea a=2 se tiene que:

𝐼𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑎 = 𝐼𝑒𝑥𝑐𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 + 𝑎𝐼𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑎

𝐼𝑜 = 𝐼𝑝 − 𝑎𝐼𝑠 También:

𝑍𝑜 =

𝑉𝑠𝑎𝐼𝑜

𝑉𝑜 =𝑉𝑠

𝑎= 𝑍𝑜 ∗ 𝐼𝑜

Valores de excitación:

Io [A] Zo [ohm] Vo [V]

0 - 0

0 - 0

0 - 0

0,1 5,36 0,536

0,1 5,69 0,569

0,1 6,73 0,673

0,1 7,83 0,783

0,1 8,435 0,8435

0,1 9,25 0,925

0,1 10,015 1,0015

0,2 5,55 1,11

0,2 9,5 1,9

0,3 9,08333333 2,725

0,5 7,02 3,51

0,7 6,04285714 4,23

Aplicando el criterio de la norma alemana VDE, el índice de saturación está definido por:

𝑛 =𝐼0𝑠

5𝑍𝑏

(𝑍𝑏 + 𝑎2 𝑍0𝑠)

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Por lo tanto se deben referir las variables I0 y Z0 respecto al lado secundario, para eso se empleara la

siguiente igualdad:

𝐼0𝑝

𝐼0𝑠

= 𝑎

Entonces: 𝐼0𝑠 =𝐼0𝑝

2

Para Zos se tiene que: 𝑍0𝑠

𝑍0𝑝= 𝑎2

Por lo tanto: 𝑍0𝑠 = 𝑍0𝑝 𝑥 4

Io [A] Vo [V] Zo [Ω] Ios [A] Zos[Ω] n

0 0 - 0 - 0

0 0 - 0 - -

0 0 - 0 - -

0,1 0,536 5,36 0,05 21,44 7,15666667

0,1 0,569 5,69 0,05 22,76 5,7

0,1 0,673 6,73 0,05 26,92 5,394

0,1 0,783 7,83 0,05 31,32 5,23

0,1 0,8435 8,435 0,05 33,74 4,83

0,1 0,925 9,25 0,05 37 4,635

0,1 1,0015 10,015 0,05 40,06 4,46111111

0,2 1,11 5,55 0,1 22,2 4,46

0,2 1,9 9,5 0,1 38 3,82

0,3 2,725 9,08333333 0,15 36,3333333 3,66333333

0,5 3,51 7,02 0,25 28,08 3,56

0,7 4,23 6,04285714 0,35 24,1714286 3,454

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Ya obtenidas las variables de excitación del transformador, se procede a graficar la curva de

saturación del transformador utilizado en esta experiencia: Curva de Excitación del Transformador

En este caso se puede establecer una relación inversa entre la corriente de excitación I0 y la saturación, quedando demostrada en la gráfica siguiente:

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80

Vo

[V

]

Io [A]

Curva de excitación del núcleo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

n

Io [A]

Corriente de excitación v/s saturación

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Por otro lado, poseer un índice “n” que para la mayoría de las pruebas es inferior a “5”, por ende se

puede clasificar como un transformador para medición y registro o para facturación, esto según la norma alemana VDE.

Porcentaje de Error Para poder determinar el porcentaje de error del transformador de medida es necesario ocupar la siguiente fórmula:

𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟% = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜∗ 100%

Para determinar la razón de transformación se debe relacionar la corriente primaria con la secundaria:

𝐼1

𝐼2

= 𝑎

Experimentalmente la razón de transformación y el porcentaje de error es el siguiente:

I2 [A] exp. I2 [A] teorica a [razón trans] error [%]

4,50 4,5 2,00 0,00

4,50 4,5 2,00 0,00

4,50 4,5 2,00 0,00

4,45 4,5 2,02 1,11

4,45 4,5 2,02 1,11

4,45 4,5 2,02 1,11

4,45 4,5 2,02 1,11

4,45 4,5 2,02 1,11

4,45 4,5 2,02 1,11

4,45 4,5 2,02 1,11

4,40 4,5 2,05 2,22

4,40 4,5 2,05 2,22

4,35 4,5 2,07 3,33

4,25 4,5 2,12 5,56

4,15 4,5 2,17 7,78

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Se aprecia que la razón de transformación es aproximadamente 2 y este tiende a aumentar a medida

que aumenta el burden, por lo que se genera un porcentaje de error el cual llega a un 7,78% respecto al valor teórico. Una de las principales razones de que se produzca un aumento en el error es que los instrumentos y equipos que se utilizaron para la experiencia son de carácter experimental por lo que no son 100% certeros. Otro factor que pudo a ver afectado las mediciones es la variación de tensión ya que se utilizó un variac el cual no posee las mejores condiciones y al girar la manilla esta no se mantenía siempre en un valor fijo. Gráfico de la relación Error [%] v/s Burden utilizado:

Otra manera de ver el porcentaje de error es confeccionando calculando el error mediante una tabla que reúne la corriente de magnetización a medida que ésta aumenta y la corriente primaria. Este error que es calculado en Excel es idéntico al error calculado anteriormente mediante corrientes secundarias teóricas y medidas.

𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 [%] =𝐼1 − (𝐼1 − 𝐼𝑜)

𝐼1∗ 100

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Err

or

[%]

Burden [Ω]

Error en función del Burden

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2) Se pide determinar experimentalmente las curvas de saturación de transformadores. Para tal, es necesario montar el siguiente circuito.

Io I1 [A] Error [%]

0,00 9 0,00

0,00 9 0,00

0,00 9 0,00

0,10 9 1,11

0,10 9 1,11

0,10 9 1,11

0,10 9 1,11

0,10 9 1,11

0,10 9 1,11

0,10 9 1,11

0,20 9 2,22

0,20 9 2,22

0,30 9 3,33

0,50 9 5,56

0,70 9 7,78

Circuito a implementar: 2

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Con el primario abierto, tomar valores de V2 e I2, hasta encontrar la zona de saturación. La siguiente tabla corresponde a los datos obtenidos del circuito implementado:

Curva de Saturación

En el circuito 2, con los valores obtenidos experimentalmente se puede efectuar la gráfica de la curva de saturación del elemento con la variable V2 respecto I2.

V [v] I [A]

0 0

1,8 0,131

5,36 0,354

7,15 0,58

8,93 1,012

9,79 1,38

10,64 1,91

11,45 2,648

12,04 3,4

12,26 3,67

12,96 5,05

13,41 6,05

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5 6 7

Vs [

v]

Is [A]

Curva de saturación

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Conclusiones

En general, esta experiencia sirvió comprender de manera óptima el funcionamiento de un transformador de medida (en este caso fue transformador de corriente), analizando sus diferentes curvas de excitación y saturación al momento de efectuar algún tipo de variación en las variables estudiadas. Descubrimos la importancia este elemento, ya que en los sistemas de protecciones efectúan una gran labor en el estado del sistema, monitorea todo tipo de evento que pueda ocurrir. Como medida de seguridad fue importante también no olvidar el cómo se utiliza este instrumento, ya que debido a su manipulación este no puede ser operado en circuito abierto en su lado secundario, lo cual podría llegar a ocasionar serios daños en el núcleo del elemento.

La parte más importante fue entender la influencia de tener en cuenta el error que se provoca en el transformador mediante la corriente de excitación I0, ya sea este en el ámbito de la magnitud o en el ángulo de las corrientes, ya que debido a este error se puede verificar su clase de precisión y junto con su índice de saturación el transformador puede ser destinado para el ámbito de la medición como así también, para protección. En conclusión, se cumplieron los objetivos propuestos en el comienzo de la experiencia, logrando profundizar exitosamente acerca de la importancia de estos TT/MM en el área de protecciones de los sistemas eléctricos.

Bibliografía

Apuntes de Clase “Protecciones Eléctricas”; Profesor Carlos Latorre

Introducción a los transformadores de medida(ES-EN. Documento pdf)