B.III: Transformadores de tensión · Un transformador de tensión inductivo consiste en un...

B.III: Transformadores de tensión

Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas Eléctricosde Potencia

IIE-Fing-UdelaR

Facultad de Ingeniería - UDELAR

(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 31

Indice

1 Transformadores de tensión

2 Clasificación

3 Transformadores de tensión inductivos

4 Transformadores de tensión capacitivos


Transformadores de tensión: Introducción

Como los niveles de tensión y corriente del sistema de potencia son muyelevados, los instrumentos de medida y los relés de protección no se puedenconectar en forma directa y lo hacen a través de transformadores.

Los transformadores de tensión tienen como función:adaptar las tensiones elevadas a valores compatibles con los quetrabajan los instrumentos de medida y los relés de protección.proporcionar aislación a los instrumentos de medida y relés deprotección con respecto a la alta tensión del circuito de potencia.permitir el uso normalizado para las corrientes y tensiones nominales delos instrumentos de medida y relés de protección.


Clasificación:

Los transformadores de tensión pueden ser:Transformadores de tensión inductivos : Generalmente se utilizan en

tensiones entre 600V y 70kV.Transformadores de tensión capacitivos : Se utilizan para tensiones

superiores a 150kVPara tensiones entre 70kV y 150kV pueden utilizarse tantoinductivos como capacitivos. En los sistemas en que se utilizacomunicación por carrier se deben utilizar transformadores detensión capacitivos

Divisores CapacitivosDivisores ResistivosDivisores mixtos (capacitivo/resistivo)

Los divisores capacitivos, resistivos y mixtos no se utilizan enlos sistemas de potencia. Su utilización es específica en loslaboratorios cuando se realizan ensayos o investigaciones.


Normas técnicas

Normas técnicasLas especificaciones de los transformadores de tensión deben seguir reglasque están determinadas en normas técnicas, entre las que se encuentran:

- IEC 61869-1: Transformadores de medida - Parte 1: Requerimientosgenerales

- IEC 61869-3: Transformadores de medida - Parte 3: Requerimientosadicionales para transformadores de tensión inductivos

- IEC 61869-5: Transformadores de medida - Parte 5: Requerimientosadicionales para transformadores de tensión capacitivos

- IEC 60044-2: Transformadores de medida - Parte 2: Transformadores detensión inductivos

- IEC 60044-5: Transformadores de medida. Parte 5: Transformadores detensión capacitivos

- IEEE C57.13: Standard Requirements for Instruments Transformers


Transformadores de tensión inductivos:Introducción

Un transformador de tensión inductivo consiste en un arrollamiento primario yun arrollamiento secundario dispuestos sobre un núcleo común. Estostransformadores difieren principalmente de los transformadores de potenciaen lo que respecta a la refrigeración y tamaño.Los terminales del arrollamiento primario se conectan a un par de fases delcircuito, o a una fase y a tierra. Los terminales del arrollamiento secundariose conectan a los instrumentos de medida y relés de protección, queconstituye la carga.


Definiciones

Transformador de tensión : Transformador en el cual la tensión secundariaes proporcional a la tensión primaria, y difiere en fase por unángulo que es aproximadamente cero para una conexiónapropiada.

Tensión nominal primaria: Valor de la tensión primaria que figura en ladesignación del transformador y a partir de la cual sondeterminadas sus condiciones de funcionamiento.

Tensión nominal secundaria: Valor de la tensión secundaria que figura enla designación del transformador y a partir de la cual sondeterminadas sus condiciones de funcionamiento.

Relación de transformación nominal (kn) : Relación entre la tensiónprimaria nominal (Upn) y la tensión secundaria nominal (Usn).

kn =Upn

Usn


Definiciones

Factor de tensión nominal : Factor de multiplicación a ser aplicado a la tensiónnominal primaria (Upn) para determinar la máxima tensión para la cualel transformador debe cumplir con los requerimientos térmicos por untiempo especificado y manteniendo la clase de precisión.

Rated voltage factor Rated time Method of connecting the primary windingand system earthing conditions

1.2 Continuous Between phases in any networkBetween transformer star-point and earth inany network

1.2 Continuous Between phase and earth in an effectivelyearthed neutral system.

1.5 30 s1.2 Continuous Between phase and earth in an non-effectively

earthed neutral system1.9 30 s with automatic earth-fault tripping1.2 Continuous Between phase and earth in an isolated neu-

tral system without1.9 8 h automatic earth-fault tripping or in a resonant

earthed systemwithout automatic earth-fault tripping.


Transformadores de tensión inductivos:Definiciones

Error de relación (ε) : Error que introduce el transformador en la medida dela tensión y proviene de que la relación de transformaciónactual no es igual a la relación de transformación nominal.

ε =knUS − UP

UP× 100(%)

kn: relación de transformación nominalUP : tensión primaria actualUS: tensión secundaria correspondiente a UP en lascondiciones de la medición

Desfasaje (ϕ) : Diferencia de fase entre los fasores de tensión primaria ysecundaria. El desfasaje es positivo cuando el fasor de tensiónsecundario se encuentra adelantado con respecto al fasor detensión primario. Esta definición es estricta para régimensinusoidal.


Transformadores de tensión inductivos:Circuito equivalenteEl circuito equivalente de un transformador de tensión inductivo es similar alde un transformador de potencia.

X1LSRS

LMRFE

LPRP

X2H2

H1NP:NS

transf. ideal

carga

H1,H2: circuito primario

X1,X2: circuito secundario

LP : inductancia de fugas del primario, RP : resistencia del primario

LS : inductancia de fugas del secundario, RS : resistencia del secundario

Lm: inductancia de magnetización del núcleo

RFe: pérdidas en el hierro


Transformadores de tensión inductivos:Circuito equivalente

El hierro tiene una característica B(H) no lineal que se debe tener en cuentaen el circuito equivalente.

En tipo de transformador las inductancias de dispersión son elevadas, lascuales introducen los errores de medición.


Transformadores de tensión inductivos:Comportamiento en régimen estacionario

Suponemos que se le aplica al transformador de tensión entre H1 y H2 unafuente de tensión sinusoidal. Consideremos que estamos en la zona lineal delhierro.

X1jwLSRS

jwLMRFE

jwLPRP

X2H2

H1NP:NS

transf. ideal

carga

E(t)

k = NPNS

E(t) = Ecos(ωt + α)



El diagrama fasorial resultante es:



Suponemos RFe =∞- kIP = Ie + IS ZS = RS + jXS

ZPk2 = 1

k2 (RP + jXP)

- UPk = (RP + jXP)

1k2 kIP + RSIS + jXSIS + US

- Ue = jXmIe- US = ZBIS

Surge:

- kIP = (ZS+Zb+jXm)jXm

IS

⇒ kUS =Zb

ZPk2

ZS+Zb+jXmjXm

+ ZS + ZbUP


Transformadores de tensión inductivos:Error y desfasaje

Se define el error compuesto en porciento, como:

ε =kUS − UP

UP× 100%

⇒ ε =Zb

ZPk2 (1 + ZS+Zb

jXm) + ZS + Zb

− 1× 100%


Transformadores de tensión inductivos:Error y desfasaje

Se define el desfasaje como la diferencia de fase entre la tensión primaria(UP/k ) y la tensión secundaria (US).

ϕ = arg(kUS)− arg(UP) = argkUS

UP= arg

ZbZPk2 + ZS + Zb + ZP

k2ZS+Zb

jXm


Transformadores de tensión capacitivos:Introducción

Por razones económicas se ha determinado la adopción de transformadoresde tensión capacitivos para alimentación de tensión a instrumentos demedida y relés de protección, a partir de niveles de tensiones de 132kV ysuperiores.Además, el transformador de tensión capacitivo se debe utilizar en unsistema de potencia, cuando se quiere tener un sistema de comunicacionesdel tipo de onda portadora.


Transformadores de tensión capacitivos:DefinicionesTransformador de tensión capacitivo : Transformador de tensión que

comprende un divisor capacitivo, una unidad electromagnéticaacoplada al divisor, en la cual la tensión secundaria esproporcional a la tensión primaria, y difiere en fase por unángulo que es aproximadamente cero para una conexiónapropiada.

Tensión nominal primaria: Valor de la tensión primaria que figura en ladesignación del transformador y a partir de la cual sondeterminadas sus condiciones de funcionamiento.

Tensión nominal secundaria: Valor de la tensión secundaria que figura enla designación del transformador y a partir de la cual sondeterminadas sus condiciones de funcionamiento.

Relación de transformación nominal (kn) : Relación entre la tensiónprimaria nominal (Upn) y la tensión secundaria nominal (Usn).

kn =Upn

Usn


Transformadores de tensión capacitivos:Definiciones

Error de relación (ε) : Error que introduce el transformador en la medida dela tensión y proviene de que la relación de transformaciónactual no es igual a la relación de transformación nominal.

ε =knUS − UP

UP× 100(%)

Desfasaje (ϕ) : Diferencia de fase entre los fasores de tensión primaria ysecundaria. El desfasaje es positivo cuando el fasor de tensiónsecundario se encuentra adelantado con respecto al fasor detensión primario. Esta definición es estrica para régimensinusoidal.

Ferroresonancia : Resonancia sostenida de un circuito consistente de unacapacidad con una inductancia magnética no lineal saturable.La ferroresonancia puede ser originada por maniobras deoperación del lado primario o secundario.


Transformadores de tensión capacitivos:Definiciones

Respuesta transitoria : La medida de la fidelidad de la forma de onda detensión secundaria comparada con la forma de onda de tensiónprimaria bajo condiciones transitorias.

Dispositivo de amortiguación : Dispositivo incorporado a la unidadelectromagnética con el propósito de:

limitar sobretensiones que puedan aparecer entre uno omás componentes.y/o prevenir ferroresonancia sostenida.y/o alcanzar un alto desempeño de la respuesta transitoriadel transformador de tensión capacitivo.


Transformadores de tensión capacitivos:Medición

Límites del error de tensión y del desfasaje : El error de tensión y eldesfasaje a la frecuencia nominal no deben exceder las valoresdados por la siguiente tabla, para cualquier tensión entre 80% y120% de la tensión nominal y con cargas entre 25% y 120%de la carga nominal con un factor de potencia de 0.8 en atraso.

Copyright © 2002, IEC – 49 –

14 Additional requirements for measuring capacitor voltage transformer

14.1 Accuracy class designation

For measuring capacitor voltage transformers, the accuracy class is designated by thehighest permissible percentage voltage error at rated voltage and with rated burden,prescribed for the accuracy class concerned.

14.2 Standard reference range of frequency

The standard reference range of frequency shall be from 99 % to 101 % of the ratedfrequency for accuracy classes for measurement.

14.3 Standard accuracy classes

The standard accuracy classes for single-phase metering capacitor voltage transformers are:

0,2 – 0,5 – 1,0 – 3,0

14.4 Limits of voltage error and phase displacement

The voltage error and phase displacement shall not exceed the values given in table 16 forthe appropriate accuracy class at any value of temperature and frequency within thereference ranges and with burdens from 0 % to 100 % of rated value for rated burden range Ior with burdens from 25 % to 100 % of rated value for rated burden range II.

Table 16 – Limits of voltage error and phase displacementfor measuring capacitor voltage transformers

Accuracyclass

Percentage voltage(ratio) error Hu

Phase displacement Mur

r Minutes Centiradians

0,2

0,5

1,0

3,0

0,2

0,5

1,0

3,0

10

20

40

Not specified

0,3

0,6

1,2

Not specified

NOTE 1 The input burden (input impedance) of a compensated bridge is very low (| 0) (very high).

NOTE 2 The power factor of the rated burden shall be in accordance with 9.8.2.

NOTE 3 For CVT’s having two or more secondary windings (see 9.8). If one of the winding is loaded onlyoccasionally for short periods or only used as a residual voltage winding its effect upon other windings may beneglected.


Transformadores de tensión capacitivos:Protección

Clase de precisión: Las clases de precisión para un transformador detensión capacitivo monofásico, para protección, son:

3P − 6P

Además se introducen tres clases adicionales para eldesempeño transitorio: T1, T2 y T3.


Transformadores de tensión capacitivos:ProtecciónLímites del error de tensión y del desfasaje : El error de tensión y el

desfasaje a la frecuencia nominal no deben exceder las valoresdados por la siguiente tabla, para cualquier tensión entre 5%de la tensión nominal y la tensión nominal multiplicada por elfactor de tensión nominal y con cargas entre 25% y 100% de lacarga nominal con un factor de potencia de 0.8 en atraso.



The voltage error and phase displacement shall not exceed the values given in table 17 for

the appropriate accuracy class at 2 % and 5 % rated voltage and rated voltage multiplied by

the rated voltage factor (1,2, 1,5 or 1,9), and at any value of temperature and frequency

within the reference ranges and with burdens from 0 % to 100 % of rated value for burden

range I or with burdens from 25 % to 100 % of rated value for burden range II.

NOTE 1 The power factor of rated burden shall be in accordance with 9.8.2.

NOTE 2 For CVT’s having two or more windings (see 9.8.4). If one of the windings is loaded only occasionally for

short periods or only used as a residual voltage winding, its effect upon other windings may be neglected.

NOTE 3 Where transformers have different error limits at 5 % of rated voltage and at the upper voltage limit (i.e.

voltage corresponding to rated voltage factor 1,2, 1,5, 1,9), agreement should be made between manufacturer and

purchaser.

Table 17 – Limits of voltage error and phase displacementfor protective capacitor voltage transformers

Percent voltage (ratio)error at percentage of

rated voltageHu

r

Phase displacement at percentageof rated voltage

Mu

r

Minutes Centiradians

Percentageof ratedvoltage

Protectionclasses

2 5 100 X 2 5 100 X 2 5 100 X

3P 6,0 3,0 3,0 3,0 240 120 120 120 7,0 3,5 3,5 3,5

6P 12,0 6,0 6,0 6,0 480 240 240 240 14,0 7,0 7,0 7,0

NOTE X = FV × 100 (rated voltage factor multiplied by 100)

15.5 Transient response

15.5.1 General

Characteristic of the transient response are the ratio secondary voltage US(t) to the peak

value of the secondary voltage S2U before the application of the primary short circuit at a

specified time Ts after application of the primary short circuit. The secondary voltage US =

US(t) after a short circuit of the primary voltage UP = UP(t) can be represented as follows:

U (t)

[v]

Up (t)

Us (t)

(1)

(3)

(2)

t Ts

t, Ts [s]

1) Short circuit of UP(t)

2) Aperiodic damping of Us(t)

3) Periodic damping of Us(t)

Figure 17 – Transient response of a capacitor voltage transformer


Transformadores de tensión capacitivos:Protección

Respuesta transitoria : Relación entre la tensión secundaria US(t) y el valorde pico de la tensión secundaria

√2US antes de la aplicación

de un cortocircuito del lado primario, en un tiempo TSespecífico luego de la aplicación del cortocircuito.



The voltage error and phase displacement shall not exceed the values given in table 17 forthe appropriate accuracy class at 2 % and 5 % rated voltage and rated voltage multiplied bythe rated voltage factor (1,2, 1,5 or 1,9), and at any value of temperature and frequencywithin the reference ranges and with burdens from 0 % to 100 % of rated value for burdenrange I or with burdens from 25 % to 100 % of rated value for burden range II.

NOTE 1 The power factor of rated burden shall be in accordance with 9.8.2.

NOTE 2 For CVT’s having two or more windings (see 9.8.4). If one of the windings is loaded only occasionally forshort periods or only used as a residual voltage winding, its effect upon other windings may be neglected.

NOTE 3 Where transformers have different error limits at 5 % of rated voltage and at the upper voltage limit (i.e.voltage corresponding to rated voltage factor 1,2, 1,5, 1,9), agreement should be made between manufacturer andpurchaser.

Table 17 – Limits of voltage error and phase displacementfor protective capacitor voltage transformers

Percent voltage (ratio)error at percentage of

rated voltageHu

r

Phase displacement at percentageof rated voltage

Mu

r

Minutes Centiradians

Percentageof ratedvoltage

Protectionclasses

2 5 100 X 2 5 100 X 2 5 100 X

3P 6,0 3,0 3,0 3,0 240 120 120 120 7,0 3,5 3,5 3,5

6P 12,0 6,0 6,0 6,0 480 240 240 240 14,0 7,0 7,0 7,0

NOTE X = FV × 100 (rated voltage factor multiplied by 100)

15.5 Transient response

15.5.1 General

Characteristic of the transient response are the ratio secondary voltage US(t) to the peak

value of the secondary voltage S2U before the application of the primary short circuit at a

specified time Ts after application of the primary short circuit. The secondary voltage US =US(t) after a short circuit of the primary voltage UP = UP(t) can be represented as follows:

U (t)

[v]

Up (t)

Us (t)

(1)

(3)

(2)

tT

s

t, Ts [s]

1) Short circuit of UP(t)

2) Aperiodic damping of Us(t)

3) Periodic damping of Us(t)

Figure 17 – Transient response of a capacitor voltage transformer


Transformadores de tensión capacitivos:Circuito equivalente

El circuito básico de un transformador de tensión capacitivo es:

C1,C2: divisor capacitivo

L: inductancia de ajuste

T : transformador intermediario

Z : impedancia de carga


Transformadores de tensión capacitivos:Circuito equivalente

T

AL _._)

I

Figure 5 Réglage du déphasage

ménes de ferro-résonance dans les cas nécessitantune telle protection.Les accessoires de couplage HF comprennentune self de draina1e 9, un parafoudre 10, et lecas échéant, un sectionneur de mise á la terre 8.Les emplacements de ces composants sont vari-ables en fonction du mode d'exécution du ma-tériel.

9. Comment accorde-t-on les TCT?

On accorde les TCT de maniére que les puis-sances exigées par le client (entre les valeursminimale et maximale) restent á l'intérieur deslimites de précision imposées, méme en pré-sence de fluctuations de température ou de fré-quence (les plages de température et de fré-quence doivent étre précisées par le client, ou dé-finies par Micafil, dans tous les cas).Les transformateurs sont accordés dans nos la-boratoires, en procédant en deux étapes:

9.1 Détermination de la prise du condensateurde couplage (représentant le diviseur capacitif) álaquelle se raccordera la traversée de liaison á lapartie inductive du TCT.

9.2 Réglage de l'inductance de la self (sur letransformateur complet), de maniére á obtenir lavaleur minimale du déphasage du transforma-teur dans les conditions de charge imposées(figure 5).Des bobines d'accord, prévues du cóté primairedu transformateur T, permettent I'ajustage destensions: en mettant ces bobines en ou hors cir-cuit, on modifie le rapport de transformation demaniére á obtenir la valeur nominale du rapportde transformation global (flgure 6).L'équilibrage des deux parties du transforma-teur est effectué au moyen de ponts de précision:

Figure 6 Réglage de I'erreur de tension

un pont de mesure de capacité pour le diviseurcapacitif, et pour la partie inductive ainsi quepour le TCT complet, un pont de mesure Sche-ring-Alberti avec un transformateur normal pré-sentant des erreurs de rapport négligeables.

9.3 A I'accord global définitif s'ajoutent quel-ques courts-circuitages instantanés du secon-daire (voir $ 15), suivis de mesures de contróle.Les forces de court-circuit provoquent un <<tas-sement>> de la self, permettant ainsi d'en con-tróler I'influence.

10. Quelle est la précision des TCT?(Extrait de [a] de la bibliographie)

10.1 La figure 7 montre le schéma de principed'un TCT, comportant un diviseur capacitif Cr,Cz, et un transformateur bobiné T branché, cótéterre, en dérivation sur le condensateur.

Figure 7 Schéma de principe d'un transformateur conden-sateur de tensionC'., Cz Diviseur de tensionT Transformateur bobinéLo Self moyenne-tensionZ" Impédance de chargeÜr Tension primaireUr Tension secondaire

ú,

La inductancia L se ajusta de manera que el desfasaje sea mínimo en lascondiciones de cargas impuestas.El transformador T se ajusta de manera de obtener el valor de relación detransformación nominal global.


Transformadores de tensión capacitivos:Comportamiento en régimen estacionario

Suponiendo despreciables las inductancias parásitas de los condensadoresC1 y C2, el circuito equivalente en estado estacionario es:

r1: resistencia que es la suma de la resistencia que representa las pérdidas dieléctrica deC1, la resistencia que representa las pérdidas en el hierro y cobre de L y las resistencia delarrollamiento primario de T.

l = L1T + L: suma de la inductancia de fugas del arrollamiento primario de T y lainductancia ajuste



rmT , LmT : resistencia de pérdidas e inductancia magnetizante de T

r2, l2: resistencia del arrollamiento e inductancia de fugas del secundario

ZL: impedancia de cargas

a = N1N2

: relación de espiras

U1: tensión primaria

U2: tensión secundaria



Circuito equivalente para estudiar el comportamiento en régimen deltransformador de tensión capacitivo.

Z2 = r2 + jl2ωZ1a2 = r1

a2jωla2 + 1

a2(C1+C2)jω

Z3: impedancia de carga de argumento ϕ



Suponemos que ZmTa2 tiene un valor tal que se puede ignorar.

Z3 = |Z3|ejϕ

Z =Z1

a2 + Z2 = |Z |ejβ

a =N1

N2r =

a(C1 + C2)

C1

El esquema vectorial se reduce a:

U1

r= ZI + U2 = ZI + Z3I = (Z + Z3)I



ConclusionesSe puede medir directamente el desfasaje de la tensión primaria respecto de latensión secundaria, por lectura directa en la escala de ángulos del sistema decoordenadas polares.

El error de relación está definido por:

ε =1 − |U1|

|U2|rn|U1||U2|rn


B.III: Transformadores de tensión · Un transformador de tensión inductivo consiste en un...

Documents

Transcript of B.III: Transformadores de tensión · Un transformador de tensión inductivo consiste en un...