07 febrero 2013

Conceptos de transformadores de corriente





Un transformador de corriente es un aparato eléctrico muy simple. Por ejemplo, el transformador de corriente de buje es simplemente un devanado en un núcleo aislado que llega a ser un transformador solamente cuando se coloca sobre el conductor primario.

Circuitos equivalentes

Un transformador de corriente puede ser modelado como una fuente de corriente constante donde la corriente del ratio se inyecta en una impedancia magnetizante en paralelo con la carga mostrada en la figura con la que iniciamos el artículo. Usando una reactancia para representar la etapa magnetizante de un transformador de corriente, es un concepto visual útil.

Sin embargo, la magnetización es un fenómeno no lineal, y deben usarse diferentes valores de reactancia usadas para cada nivel de excitación. Por ejemplo, los diagramas B-H mostrados en la figura, como flujo ϕ frente la corriente magnetizante IM, representa niveles bajos, medios y altos de excitación.

En excitación baja, la pendiente


representando la inductancia es baja. Esta baja pendiente indica una cantidad desproporcionada de corriente magnetizante comparada con la corriente de carga a baja excitación. En excitación media, la curva B-H muestra la pendiente máxima en transición entre estados saturados. El hecho de que la corriente magnetizante sea tan pequeña en comparación con la corriente del ratio durante la transición sugiere que puede ser ignorada. Consecuentemente el núcleo puede verse simplemente como un interruptor voltio tiempo (máximo tiempo que el transformador puede tener aplicado un voltaje constante) como mostramos en la figura que se abre durante un cambio de flujo y se cierra durante la saturación.

El concepto de área  voltio tiempo y forma de onda de saturación

Relaying accuracy ratings se diseñan con un rating de voltaje del terminal secundario. El concepto del rating de voltaje puede derivarse de la relación fundamental:


Donde e es un voltaje inducido por N vueltas y una tasa de cambio del flujo φ con respecto al tiempo t. Donde el flujo se limita a la transición desde el flujo de saturación φS a φS y


A partir de aquí podemos deducir que


Normas de aplicación del transformador de corriente

Generalmente, los relés de protección están diseñados para operación de onda sinusoidal y su rendimiento no está especificado por otras formas de onda. Por lo tanto, en una aplicación de relés de protección, el voltaje y la carga del transformador de corriente se especifican para asegurar la corriente del secundario no distorsionada para la condición de fallo máxima.

IEEE/ANSI Standard C57.13 sugiere que los transformadores de corriente para relés se aplicarán sobre la base de que la corriente de fallo simétrica máxima no exceda 20 veces la tasa de corriente del transformador de corriente y que su voltaje de carga no exceda el voltaje de clase de exactitud del transformador de corriente. La aplicación de los transformadores de corriente para relés es un arte más que una ciencia debido a que al ingeniero se le deja elegir el punto de operación específico en la curva de excitación. Sin embargo, es racional elegir un transformador de corriente que produzca una excitación del punto de inflexión en la corriente de fallo simétrica máxima cuando la reactancia magnetizante esté en máximo. Obsérvese que el punto de inflexión de una curva de excitación típica es alrededor del 46 % del voltaje de excitación correspondiendo a una corriente de excitación de 10 amperios. Un criterio habitual es que C-rating sea dos veces el voltaje de excitación desarrollado por la corriente máxima de fallo.

La prevención de la saturación debido al componente exponencial de la corriente de fallo requiere que C-rating excediendo el rating simétrico por un factor igual a la ratio X/R del sistema primario fallado más uno. El dilema es que habitualmente es imposible alcanzar tal rating a pesar del hecho de que la saturación afecta el rendimiento de los relés de alta velocidad. Es en estos casos en los que las simulaciones se usan para valorar los efectos de saturación transitoria en el rendimiento del relé.

Aplicación de diferencial del transformador

La siguiente figura muestra el bus auxiliar de una planta de potencia suministrada por un delta wye resistance grounded transformer de 5000 kVA. El transformador tiene una impedancia de 4,95 % en una base de 5 MVA y es alimentado por un bus de emergencia y standby. El bus está protegido por relés de sobrecorriente direccionales de tierra y el transformador protegido por los relés diferenciales con restraint de armónicos y un relé de sobrecorriente alimentado por un transformador de corriente con neutro del transformador.

                                                                                                                                                          


Se seleccionó un rating C 200, 1200:5 para el lado de baja de del transformador de corriente y un rating C 200, 600:5 para el lado de alta del transformador de corriente. Las tomas del relé 87T se pusieron a 2,9 por el devanado del lado de alta y a 8,7 amperios para el devanado del lado de baja dejando un desajuste del ratio del 4,4 %. El diferencial del porcentaje para el disparo fue puesto al 25 %.

La complicación de esta aplicación fue el hecho de que los transformadores de corriente de 500:5 se localizaron a 420 metros de la aparamenta, requiriendo al menos 840 m de leads. Sólo 7,2 m de leads se requieren para los transformadores de corriente de 1200:5 en el swichgear con el relé.

Aplicación del relé diferencial del generador

Es impracticable dimensionar transformadores de corriente para eludir la saturación transitoria en un diferencial del generador debido a que se encuentran ratios X/R altos. La norma es seleccionar rating prácticos más altos para acoplar los transformadores de corriente del lado del neutro y terminal. La trampa es que la clase de exactitud más alta del transformador de corriente es el C800 y que cualquier transformador de corriente con un voltaje de excitación que exceda los 800 voltios se clasifica C800.

Bibliografía:

Zocholl & Smaha.  Current transformer concepts.
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