TRANSFORMADORES DE MEDIDA
EL PUNTO DE VISTA DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS
Transformador de medida esta destinado a alimentar
instrumentos de medida (indicadores, registradores, integradores) relés o
aparatos análogos.
Transformadores de corriente en los cuales en
condiciones de empleo definidas se tiene una corriente secundaria proporcional
a la corriente primaria y desfasada (con sentido apropiado de las conexiones)
de un ángulo próximo a cero.
Transformadores de tensión, corresponde una
definición análoga, la tensión secundaria es proporcional a la primaria.
Relación de transformación se da como relación entre
las magnitudes primarias y secundarias (según corresponda corrientes o
tensiones).
Varias características de los transformadores de
medida son comunes a otros tipos de aparatos, tensión máxima de referencia de
la aislación, tensiones de ensayo, frecuencia nominal, aptitud para uso
interior o intemperie, etc.
CARACTERISTICAS PARTICULARES DE LOS TRANSFORMADORES
DE CORRIENTE
Estos se conectan en serie en el circuito, y deben
ser capaces de soportar las sobrecorrientes que se presentan, y que dependen
del diseño de la instalación eléctrica.
Sobrecorrientes térmicas permanentes (del 20%), con
las cuales no se deben superar ciertos limites de sobretemperatura, y se deben
respetar condiciones de precisión.
Corrientes de cortocircuito, corriente térmica y
dinámica (del orden respectivamente de 80 y 200 veces la corriente nominal).
Los valores de 20%, 80 y 200 veces se han normalizado
y son los que se presentan en instalaciones proyectadas con criterios normales,
y a su vez son valores que es conveniente sirvan de limites cuando se proyectan
instalaciones.
Al proyectar una instalación eléctrica, es importante
que parte del esfuerzo del proyectista se dedique a lograr proyectar una
instalación normal que utiliza aparatos normales, también es importante que los
aparatos que se instalan sean útiles durante toda la vida de la instalación, y
no se hagan indispensables cambios de aparatos después de los primeros años de
funcionamiento.
Carga o prestación del transformador de corriente es
la potencia (o impedancia) que el transformador debe tener en su circuito
secundario, manteniéndose en su clase de precisión (error de relación y error
de ángulo).
La prestación debe ser adecuada a la carga que el
transformador alimenta, en la carga se deben incluir los instrumentos, y los
cables de conexión desde los transformadores a los instrumentos.
Es importante responder a la pregunta de cual es la
función del transformador, si este alimenta dispositivos de medición, son muy
importantes sus características en estado permanente, en el campo de la
corriente nominal.
Si en cambio el transformador alimenta dispositivos
de protección es importante su comportamiento transitorio, su comportamiento en
el rango de sobrecorrientes que se presentan en fallas.
Las normas han fijado el valor de sobrecorriente
representativa de estas situaciones en 20 veces la corriente nominal.
Cuando se presentan estas sobrecorrientes el
transformador debe actuar en forma distinta según cual sea la función, puede
ser interesante que el transformador se sature bajo efectos de la
sobrecorriente, de manera de proteger los instrumentos que se encuentran
alimentados por el, en este caso se falsea la medición, lógicamente esta
característica es indesaeda si se alimentan protecciones.
Surge entonces un concepto, un transformador de
medición debe saturar cuando se presentan sobrecorrientes, y uno de protección
en cambio debe reflejar correctamente la corriente, no saturarse con valores de
varias veces la corriente nominal.
En el estado actual de la técnica, todavía los
transformadores son con núcleo magnético, y tienen características ligadas
esencialmente a las características del hierro.
El circuito equivalente del transformador de
corriente es en esencia el mismo que se estudia para el transformador de
potencia, pero debe notarse que el transformador de corriente trabaja con
inducción variable (con la corriente que por el circula, en otras palabras la
tensión entre bornes es variable).
La precisión del transformador esta ligada a la menor
corriente derivada por el brazo de excitación, cuando por el aumento de
corriente se supera el codo de saturación la precisión cae, el transformador se
satura.
Si se varia la carga aumentándola, mas impedancia, se
alcanzara la tensión de saturación con menor corriente, y viceversa.
Surgen entonces algunos conceptos muy importantes en
la aplicación de los transformadores de corriente, si estos están destinados a
la medición deben estar cargados lo justo, si están menos cargados que su
prestación no saturaran en forma que se espera, si están mas cargados perderán
precisión.
Para un núcleo de protección en cambio si se carga
menos se extenderá su campo de acción en el que la saturación no se nota.
Las normas definen en consecuencia las
características que tienen relación con estas condiciones de funcionamiento.
Factor de seguridad para los núcleos de medida es la
relación entre la corriente nominal de seguridad y la corriente nominal primaria.
Corriente nominal de seguridad , es el valor de la
corriente primaria (indicado por el fabricante) para el cual la corriente
secundaria (multiplicada por la relación de transformación) es inferior en
cierto porcentaje (10%) al valor eficaz de la corriente primaria.
El transformador debe estar cargado con su prestación
nominal. Esto mismo dicho en otras palabras es: con la corriente que
corresponde al factor de seguridad el error debe ser suficientemente elevado.
La pregunta natural es: cuanto es importante esta
característica? Según que aparatos estén conectados al secundario del
transformador de medición será mas o menos importante su saturación, y
consiguiente limitación de la corriente, si los aparatos de medición son
resistentes a elevadas sobrecargas (sobrecorrientes), o están realizados para
soportarlas sin dañarse, esta característica no es importante en absoluto.
Cuando en cambio debe cuidarse la integridad de los
dispositivos de medición, y en particular delicados registradores de diseños mas
bien antiguos, se hace indispensable lograr la correcta saturación del
transformador de corriente.
Con esta premisa se comprende que esta característica
actualmente, con instrumental de medición moderno con gran capacidad de
sobrecarga ha perdido importancia.
Cuando se desean hacer mediciones de corrientes
transitorias (por ejemplo inserciones de transformadores de potencia, o durante
cortocircuitos) será importante que el error en el rango de corrientes elevadas
no sea grande, y entonces no es correcto conectarse a un transformador de
medición que se satura, y falsea la medida.
Factor limite de precisión es el valor mas elevado de
la corriente primaria a la cual el transformador debe satisfacer las
prescripciones correspondientes al error compuesto.
Las características eléctricas principales del
transformador de corriente son:
La relación de transformación, que debe elegirse
entre valores normales.
La prestación, potencia en VA que el aparato puede
alimentar con su corriente nominal, y a la que se refieren otras
características.
Tensión nominal, aislacion.
Sobrecorriente permanente.
Sobrecorriente térmica.
Resistencia electrodinamica.
Son interesantes ciertas características que están
relacionadas con la forma constructiva o características de detalle del
aparato.
Puede ser necesario que el transformador tenga varias
relaciones de transformación , esto puede lograrse por cambio de conexión en el
primario, o por derivaciones adecuadas en el secundario, y la solución adoptada
afecta la forma del arrollamiento y sus características de saturación.
La forma de los transformadores puede ser con varias
espiras primarias o de barra pasante, una sola espira primaria.
Otras características tienen que ver con la
saturación, el comportamiento magnético del transformador, sus corrientes
limites de precisión.
Al variar la carga del transformador varia su limite
de precisión, o su punto de saturación.
En la evaluación de la carga intervienen los cables y
los instrumentos.
Por su función los transformadores (sus núcleos) se
clasifican en medición y protección.
El primer análisis que debe hacerse es para que sirve
la medición, si es útil para las mediciones en estado permanente, puede ser
conveniente la saturación, al ocurrir una falla la elevada corriente de falla,
será transferida al secundario limitada por los efectos de la saturación, y
esto será conveniente, se reducirán las solicitaciones transitorias de los
circuitos secundarios, se identifica entonces el factor de seguridad.
Para la protección, la necesidad de hacer una buena
medición en transitorio hace que sea en cambio útil la buena proporcionalidad
de la magnitud, al menos durante el tiempo en que la protección lo requiere
para garantizar su buena actuación .
Se plantean problemas de la distancia, medición,
influencia del cable en la prestación, instrumentos, carga de lastre.
Problemas de la conexión residual, la variación de la
carga del núcleo según sea la corriente con o sin componente homopolar.
La selección de la corriente nominal, la influencia
de la corriente de cortocircuito, unificación de valores, error de medición,
influencia de la carga reducida.
OBSERVACIONES RELATIVAS A LA CARGA DE TRANSFORMADORES
DE CORRIENTE
Supongamos tres transformadores de corriente, la
carga esta dada por los instrumentos conectados y el cable de conexión.
Mientras las corrientes en las tres fases son
iguales, no hay corriente de neutro, la carga esta dada por la longitud del
cable y la impedancia de los instrumentos.
Si en cambio las corrientes son desequilibradas, en
el caso extremo de tener corriente en una sola fase entonces habrá que
considerar dos veces la longitud del cable (fase y neutro), y si hubiera
instrumentos en conexión residual habrá que considerar el instrumento de fase y
el de neutro.
Estas observaciones tienen por objeto mostrar que la
carga depende de las condiciones en que la medición se esta realizando, y en
consecuencia en particular la saturación se puede presentar no siempre con el
mismo valor de corriente.
El circuito secundario de los transformadores debe
estar puesto a tierra, esta es una condición de seguridad, y es conveniente que
esta puesta a tierra se haga en un transformador o en un punto muy próximo a
ellos.
CARACTERISTICAS PARTICULARES DE LOS TRANSFORMADORES
DE TENSION
Estos se conectan en derivación, entre fases (en
tensiones bajas y medias) o entre fase y tierra cualquiera sea la tensión.
La conexión fase tierra es muy útil, ya que entrega
tensiones que permiten reconstruir tanto las tensiones simples como las
compuestas, mientras que las tensiones obtenidas de las conexiones fase fase no
permiten reconstruir las tensiones fase tierra, y bajo circunstancias
especiales (por ejemplo cuando se desea conocer el contenido armónico) es
importante poder conocer las tensiones simples.
En ciertos casos se considera como mas económica la
solución con dos transformadores conectados en V, aunque esto es cierto la
economía no debe buscarse en diseños que generan posibles dificultades futuras
de trabajo, es mas lógico que el esfuerzo económico se haga en otras
direcciones (quizás cuestionándose si no es posible realizar menos puntos de
medición, pero los que se hacen deben ofrecer solución a todo problema que
pueda aparecer).
Los transformadores de tensión funcionan
prácticamente a tensión constante, a inducción constante, y no presentan
efectos de saturación tan notables como los transformadores de corriente.
La tensión nominal primaria coincide con la tensión
nominal del sistema , o si conectados fase tierra será la tensión nominal del
sistema sobre raíz de 3.
La prestación del transformador no esta condicionada
a la carga que efectivamente se alimentara.
Debe observarse que en cambio la precisión de la
medida puede ser afectada por los cables de conexión (sección y longitud) y la
corriente que por ellos circula, cantidad de aparatos que alimentan.
Es entonces conveniente separar los circuitos por sus
funciones en un lugar próximo al núcleo.
Como en la red se pueden presentar condiciones de
sobretension en relación al estado del neutro de la red, y la presencia de
fallas, el transformador debe soportar estas situaciones.
Factor de tensión es la relación respecto de la
tensión nominal primaria, del valor mas elevado de tensión con el cual se
pretende que el transformador satisfaga prescripciones de calentamiento, y
otras eventuales prescripciones.
Esta característica esta asociada al tiempo de
funcionamiento (limitado o no) y se selecciona teniendo en cuenta la forma de
conexión del arrollamiento primario y la condición del neutro de la red.
Para transformadores conectados fase - fase esta
factor es 1.2, para transformadores que se conectan fase tierra en redes con
neutro aislado se requiere 1.9 por 8 horas, si la falla se elimina en tiempo
breve en cambio 30 segundos.
Relación de transformación.
Prestación.
Sobretensiones permanentes, fallas.
Transformadores de tipo inductivo y capacitivo.
Caída en los cables, error.
Aprovechamiento para algún servicio auxiliar.
