Transformadores de medición y protección

TC y TPSegún la magnitud que se esté censando, los transformadores se clasificaran en: transformadores de corriente (current transformer o CT) y transformador de potencial (potencial transformer o PT).

Transformadores de corriente

Clase de TCTransformador de medición:

Son los transformadores cuya función es medir, requieren reproducir fielmente la magnitud y el ángulo de fase de la corriente, su precisión debe garantizarse desde una pequeña fracción de corriente nominal del orden del 10% hasta un exceso de corriente del orden del 20%, sobre el valor nominal.

Clase de TCTransformador de protección:

Son los transformadores cuya función es proteger un circuito, requieren conservar su fidelidad hasta un valor de veinte veces la magnitud de la corriente nominal, cuando se trata de grandes redes con altas corrientes puede ser necesario requerir 30 veces la corriente nominal

Tipos de TCTipo Ventana / Toroide / Bushing / donut

El devanado secundario está completamente aislado y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado. El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.

Tipos de TCTipo devanado primario / Wound :

Tiene más de una vuelta en el primario, los devanados primario y secundario están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado, esta construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.

Tipos de TCTipo Barra / Bar Type:

Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado, el devanado primario consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo

TC con secundario

abierto

¡Puede inducir una tensión mayor a la tensión de aislamiento del TC lo que conlleva a un alto riesgo de explosión!

Símbolos

Relaciones TC

Fuente IEEE C57.13

BurdenLos CT tiene una capacidad de carga en VA o en impedancia en la cual deben operar para que la lectura sea lo mas precisa posible, a esa clasificación se le conoce como Burden.

Cuanta mayor carga este conectada al CT (cable, reles, transductores, etc) mayor será el Burden requerido, sin embargo con el uso de los relés en estado solido ha mejorado el efecto que tenían los altos valores de Burden en las lecturas de corriente por ejemplo que se obtenían en los relés electromecánicos

BurdenEn condiciones normales el corriente del secundario IH, estará casi en fase con la corriente del primario IL, solo desviándose por el efecto de la corriente de magnetización IM, cuando la corriente del primario es demasiada, o el Burden de la carga muy alto se incremente la diferencia y por ende el error.

Burden

Fuente IEEE C57.13

Precisión

Fuente IEEE C57.13

Los CT se clasifican con las letras C, K y T. En los dos primeros tipos el flujo de dispersión no afecta de manera apreciable le relación de transformación. Mientras que en los tipo T, si excede el 1% en ese factor.

Precisión

Fuente IEEE C57.13

Ejemplo:

Un CT tiene una clasificación C 400 V, se desea pasar 100 A por el secundario (20 veces 5A), para mantenerse dentro del 10% de la tolerancia, solo se puede conectar un Burden de 4 ohm100 A x 4 ohm = 400 VPara el mismo CT pero con un Burden de 8 ohm400 / 8 ohm = 50 A es decir solo es preciso hasta 10 veces In

Precisión

Fuente IEEE C57.13

Regle General

Mientras mayor sea el Burden menor es el rango de corriente donde es lineal.

Precisión

Fuente IEEE C57.13

Dimensionamiento

Fuente: cromptonusa.com

En construcciones nuevas el CT se puede dimensionar para manejar el 80% de la corriente nominal. Ejemplo si el breaker es de 2000 A el CT puede ser de 2000x0,8 = 1600 A Primarios.

Dimensionamiento

Fuente: cromptonusa.com

Para instalaciones existentes se recomienda especificar CT con capacidades entre 20 y 30% mas que la carga conectada. Ejemplo: SI la demanda pico de un sistema es de 500 kW, con tensión de 480 V, 3F y un FP de 0,9, la corriente será

500000/(480x1,73x0,9)=669 A

Un CT de relación 800:5 seria una buena selección

Conexión residual

Fuente: IEEE 242

Conexión Directa

Fuente: IEEE 242

Transformadores de potencial

Concepto Es un dispositivo utilizado para disminuir la tensión, con la finalidad de alimentar dispositivos de protección y medición del sistema eléctrico. Ej: Relé de bajo voltaje, medidores de energía, etc

Clasificación • Transformadores electromagneticos.

• Convencionales (un solo núcleo por fase).

• En cascada (varios núcleos por fase)

• Divisores de tensión capacitivos (Tx capacitivos)

Selección Voltaje primario y secundario del transformador

Frecuencia y BIL

Potencia en VA de consumo (Burdens)

Tipo de conexión del transformador

Exactitud en medición

Burden

Fuente: IEEE C57.13

Voltajes Primarios

Fuente: IEEE C57.13

Voltajes Secundarios

Voltajes Secundarios basados en Países Europeos: 100 y 200.

Voltajes Secundarios basados en Estados Unidos y Canada: 115, 120 y 230.

Para TP´s a conectarse en estrella (voltaje fase a tierra), los valores anteriores se dividen entre raíz de 3 (1.732).

Zonas de Protección

Zonas de Protección

GENERADOR

MOTOR

BARRABARRA

BARRA BARRA

LÍNEA

TRANSFORMADOR

TRANSFORMADOR

1. Unidades de generación y generación-transformación.2. Transformadores.3. Barras.4. Líneas (transmisión, subtransmisión y distribución).5. Equipos (motores, cargas estáticas, etc.).6. Bancos de capacitores o reactores (cuando tienen protecciones particulares).

Eventos

Protección Diferencial

Relé 87

I1p I2p

I2sI2s

Ir

Equipo Protegido

IF

Se presenta a continuación el esquema de la variante más sencilla de protección diferencial con canal alámbrico de enlace, para una fase de un elemento del sistema que tiene dos terminales. En los terminales del elemento protegido se instalan CT con iguales relaciones de transformación, sus secundarios se interconectan en la forma mostrada en la figura, y entre los conductores de unión se conecta un relé de sobrecorriente

Coordinación de Protecciones

Coordinación de Protecciones

Líneas

Protección de Líneas

Se concentra en la detección de fallas a lo largo de la línea eléctrica

Pueden ser de al menos 3 tipos

• Sobrecorriente

• Impedancia

• Diferencial

Protección de LíneasImpedancia

Protección de LíneasImpedancia

Protección de LíneasImpedancia (tipo MHO)

Protección de LíneasImpedancia / Sobrecorriente

La protección de distancia usualmente se divide en tres zonas, ajustadas de la siguiente manera:

Zona 1: se ajustara al 85 o 90% de la longitud (el 15 o 10% restante debe ser respaldado por un relé en el otros extremo).

Zonas 2: llega a un 50% del segundo tramo (Tiempo de Operación de 250 a 500 ms)

Zona 3: se limita hasta el 25% del tercer tramo (Tiempo de Operación de 1 a 2 s)

Motores

Protección de Motores

Protección de Motores

Protección de Motores

Protección de Motores

Protección de Motores

¿Qué Ocurre si…

En la alimentación de un motor AC se encuentra un alto contenido de

secuencia negativa?

Protección de Motores

Protección de Motores

Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección de Transformadores

Protección 51, 51N, 50, 50N BT

Protección 51G BT

Gen

era

dore

s

Bajo Voltaje(27)

Los generadores están diseñados para trabajarcontinuamente con un 95% del voltaje nominal,mientras entrega potencia nominal a frecuencianominal.

Un generador operando con voltaje en terminalesmenor que el 95%, puede causar efectos indeseables como una reducción en el limite de estabilidad, una importación excesiva de potencia reactiva de la red a la cual esta conectado, y una mala operación de los equipos y dispositivos sensibles a voltaje.

Relevadores Instantáneos y Característica T.I.PU : 90%Vn;Tiempo = 9.0 seg. al 90% del Ajuste de PU.Instantáneo : 80% Vn.

1 2 3 450

100

150

110%105%Vn95%90%

Sobre Voltaje(59)

Una condición de sobrevoltaje puede ocurrir sin que se excedan los limites de V/Hz del generador.

En general este problema se presenta en las turbinas hidraulicas, donde debido a un rechazo de carga, la velocidad puede llegar al 200%.

Bajo esta condición la sobreexcitacion no seráexcesiva, pero la magnitud de voltaje puede ser mayor al limite permisible de la maquina.

RELEVADOR T.I. e InstantáneaPU :110% Vnom.Tiempo:2.5 seg. A 140 % de PU Instantaneo:130 – 150 % Vnom

1 2 3 450

100

150

110%105%Vn95%90%

Sobre o Baja Frecuencia(81O) (81U)La perdida repentina de carga puede desestabilizar el generador, haciendo que acelere y no pueda estabilizar su velocidad, con el subsecuente variación de la frecuencia, para ello se dispone del la unidad 81O.

En caso de una disminución de la frecuencia, producto de la incorporación de un gran bloque de carga, o falla en el elemento motriz, se ajusta el rele de protección 81U a fin de desconectar el generador pasado el umbral de tolerancia.

Diferencial de Tierra 87N

Conocida también como falla restringida de tierra.Detecta fallas monofásicas o de secuencia cero dentro del generador. (sirve para motores y transformadores también)

PU : 0.3 A Pendiente : 10% Tiempo: Instantáneo.

Direccional (67) (67N)

Determina la dirección del flujo de potencia, tanto trifásica (67) como monofásica (67N)

Sobre Corriente con restricción de tensión (51V)Le agrega un elemento mas de censado a la

unidad de sobre corriente temporalizada, esta vez, se incluye la tensión en la barra del generador, haciendo que la unidad de sobre corriente actúe aun mas rápido si la tensión en la barra baja demasiado y por determinado lapso de tiempo

Control De voltaje 51 PU : 50 % (Corriente Plena Carga). VC : 75 % Vnom.

Restricción de voltaje51 PU : 150 % (Corriente Plena Carga).

El tipo de curva y el ajuste del Dial, deberán estar coordinados con los relevadores de línea del sistema, para fallas en las líneas de transmisión de la planta

Potencia Activa Inversa (32R)La motorización del generador ocurre cuando la energía suministrada por el motor primario se pierde, mientras el generador esta en línea. Cuando esto ocurre, el generador se convierte en motor síncrono, y mueve al motor primario. Los riesgos que se presentan durante la motorización del generador, son principalmente con el motor primario, el cual puede ser sufrir daño durante esta condición.

Gas : 50% Potencia Nominal. Tiempo: < 60 seg. Diesel : 25% Potencia Nominla. Tiempo: < 60 seg. Turbinas Hidraulicas: 0.2% - 2% Potencia Nominal. Tiempo: < 60 seg. Turbina de Vapor: 0.5% - 3% Potencia Nominal. Tiempo: < 30 seg.

Desbalance (46)Existen numerosas condiciones del sistema que pueden causar corrientes trifásicas desbalanceadas en un generador. Estas condiciones del sistema producen componentes de corriente de secuencia de fase negativa la cual induce una corriente de doble frecuencia en la superficie del rotor. Estas corrientes en el rotor pueden causar altas y dañinas temperaturas en muy corto tiempo.

El ajuste deberá ser menor, a la máxima corriente de secuencia negativa (I2) permisible, expresada en porciento (%) de la corriente Nominal: • Polos Salientes con devanados amortiguadores: 10%. • Polos Salientes sin devanados amortiguadores: 5%.• Rotor Cilindrico Indirectamente Enfriado: 10%.• Directamente Enfriado hasta 960 MVA: 8%.• Directamente Enf. desde 961 hasta 1200 MVA: 6%.• Directamente Enf. desde 1201 hasta 1500 MVA: 5%.