Ensayo de Un Transformador de Intensidad

Universidad Tecnológica Nacional – FRM de Medidas Electrónicas I

Trabajo Práctico Nº5 Cátedra Año 2011

Ensayo de un transformador de Intensidad [T I] Introducción Teórica Los transformadores de intensidad y de tensión de medida m edida se crearon para abaratar costos como método de seguridad de los operarios. El transformador de medida medida en particular toma una muestra muestra proporcional de corriente del secundario y lo refleja en el primario. pr imario. Cabe destacar que en estos, la corriente circulante en secundario, no se modifica modifica con la carga carga que se introduce en él, más bien la carga máxima la limita el error producido en la medición. En cuanto a la corriente magnetizante es muy pequeña, lo que hace que la impedancia magnetizante sea muy grande. La particularidad esencial de los TI es que mientras su secundario esta cargado con una impedancia constante, su primario permanece en serie con la carga del circuito principal. Esto implica implica que para que los TI puedan hacer circular una corriente corriente proporcional a la primaria primaria por la impedancia secundaria secundaria deberá ajustarse para cada cada valor de tensión secundaria en forma automática .

Los transformadores de intensidad se dividen en dos grupos, los de medición y los de protección .

s ecundario están conectados los instrumentos, que indicaran, TI de Medición: En el secundario con una escala adecuada la corriente circulante en el primario. La finalidad es que mientras se esté trabajando en condiciones condiciones normales (I nominal) el trafo refleje refleje lo más preciso posible la corriente corriente del primario mientras que en en condiciones de falla falla (corrientes superiores a la nominal), el trafo traf o se sature dando una relación no lineal, como muestra el grafico:

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Alumnos: Angel Arancibia, Lucas Escribano, Ernesto López



:

TI de Protección: Estos transformadores no requieren ser tan precisos como los de medición, pero requieren que se manifiesten bien las condiciones de falla, por lo tanto se saturan con los de corriente mucho mayor que los de medición. Se utilizan para activar dispositivos de protección. De las dos utilidades que tiene el TI se deduce que se deben cumplir ciertas condiciones: 1) La cantidad de instrumentos que se pueden conectar en serie en el s ecundario es menor en el de MEDICION que en el de PROTECCION, ya que los de medida consumen menos que los relés. 2) La clase es menor en el de medición debido a que los instrumentos deben dar valores más exactos. Mientras que en los de protección los relés no necesitan tanta exactitud. 3) El coeficiente ¨n¨ de saturación, que indica hasta donde la curva es lineal es mucho mayor en el de protección. Podríamos agregar que las prestaciones de los TI de medición son menos que las de los de protección. Entendiéndose como la prestación a la potencia aparente máxima que el TI puede manejar. Las chapas características que acompañan al dispositivo suelen indicar: Potencia de prestación Clase Relación de transformación Tensión de servicio

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Coeficiente de saturación ¨n¨: este coeficiente indica hasta donde la curva de saturación. Normalmente los TI vienen con dos o más núcleos, es decir que cumplen con los dos tipos de servicio (protección y de medición), que se pueden conectar en serie o en paralelo. El factor que produce el error más preponderante es la corriente de magnetización, que lo hace tanto en modulo como en fase, para poder minimizarlo hay que utilizar núcleos de bajas perdidas, tanto por histéresis como por corriente de Foucault y gran cantidad de espiras para hacer que el flujo magnetizante sea despreciable frente al flujo concatenado. DESARROLLO

1-Polaridad Se verifica la polaridad relativa de una bobina con respecto a otra, es decir, encontrar los bornes homólogos. Si tenemos dos bobinas en un mismo núcleo es decir recorridas por un mismo flujo (transformador) debemos verificar los puntos homólogos, uno primario y uno secundario. Cada bobina tiene su propia polaridad, pero si se adopta una polaridad para cada una de ellas, la polaridad de la otra queda automáticamente determinada por la relación invariable que existe entre dos arrollamientos y un flujo común. De acuerdo al principio de funcionamiento del transformador no “dos bornes tienen la misma polaridad, cuando puenteando dichos bornes la corriente circula como si el transformador no existiese, hacia y desde la carga”. Si recordamos el principio de funcionamiento del transformador, cuando por el primario circula una corriente  , por el secundario circula una corriente , defasada 180º.La verificación de los bornes homólogos es necesaria en el caso de conectar bobinas batimétricas, contadores de energía, etc. Donde de esto depende la deflexión de la aguja. Ensayo: Verificación de los puntos homólogos:

Para encontrar los puntos homólogos, inyectamos en el primario un pulso mediante una fuente de continua; y con el voltímetro buscamos en el cual de los bornes del secundario aparece reflejado en el mismo instante. Polaridad de las bobinas del secundario:

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El transformador de intensidad tiene en el primario de bobinas, con la posibilidad de conectarlas en serie o en paralelo. La verificación consiste en encontrar la conexión correcta entre ellas de manera que los flujos magnéticos obtenidos sean de la misma polaridad. Posee dos bobinas para poder cambiar el alcance del instrumento (para medir más corriente). Para ello inyectamos corriente en el primario mediante seis pilas y probamos distintas posibilidades de conexión entre las bobinas, verificando la corriente obtenida en el secundario con un voltímetro. El voltímetro se conecta en cua lquiera de los dos secundarios (de medición o protección) indistintamente.

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Instrumento utilizados: o

o

Voltímetro: marca FEC, bobina móvil, uso horizontal, clase 0.5, escalas de 1,3,10y30V Transformador de intensidad: Chapa de medición: Rel: 100-200/5A

Clase 0.5

VA 30

Ω( )

Tipo YDS

N º 1240

Fs<5

Ts 15Kv; 50hz

Chapa de protección: Rel: 100-200/5A

VA 60

Clase 1 Ω( )

Tipo YDS Ts 15kV => Tensión de aislación Fs>10 ; 50hz -Batería de 6 pilas de 1,5V conectadas en serie, total 4,5V; o Fuente de Vcc Conclusiones:

Los puntos homólogos encontrados eran coincidentes con los que estaban señalados en la máquina. Si las bobinas están mal conectadas los flujos se

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concentran, y si conectamos un amperímetro, este marcaria 0A lo que pondría en riesgo al operario, ya que puede estar circulando corriente. 2-Ensayo de Relación de Transformación: El objetivo de este ensayo es de encontrar la relación de transformación de transformación de intensidad. La “Relación de transformación ˮ está dada por: Ki = Ip / Is Donde Ip es la corriente que circula por el circuito primario e Is es la corriente en el circuito secundario. Circuito practico:

Se utiliza un transformador de inyección con la finalidad de alimentar el primario del transformador ensayado como una corriente elevada comparable con la nominal, con el fin de simular las condiciones normales de trabajo. Este transformador tiene un primario de muchas espiras y corriente baja, y un secundario de pocas espiras y corriente alta. Esta corriente elevada la medimos con una Pinza Amperometrica de relación 1000/1. (Dara lectura en Amper en el MiliAmperimetro) El amperímetro conectado en el secundario del TI ensayado nos dará la Is. Con este dato y el anterior podemos calcular Ki y compararla con la indicada en la chapa.

Maniobra operativa:

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-Polaridad: primero se deben identificar los bornes del primario que c orresponden a cada bobina (en este caso 2 bobinas forman el primario). Con una fuente de c.c. de baja tensión (2-4V) o una pila se conecta al primario, con la polaridad conocida (+) a n borne del transformador (si tiene especificado de alguna manera bornes homólogos, lo ponemos aquí) y por medio de n pulsador se le darán pulsos de tensión. En el secundario, tanto en la bobina de medición como en la protección, se coloca un voltímetro de c.c. con su polo (+) en el borne polarizado si esta in dicado, al azar sino; si al pulsar el pulsador, la aguja del voltímetro tiende a deflexionar positivamente, la polaridad es correcta, caso contrario será errónea y el borne homologo con el primario será el otro. Generalmente es aconsejable usar pila en lugar de una fuente ya que cada vez que se pulsa el pulsador, producimos prácticamente un corto en la alimentación, pudiendo destruir la fuente, además la pila es capaz de entregar corrientes muy grandes, solo por instantes. El voltímetro colocado en bornes del s ecundario debe ser analógico, ya que en uno digital podemos no captar bien los pulsos de tensión por su demora en la conversión A/D para visualizar la medición, problema que no existe en un analógico. Relación: de transformador de inyección nos sirve para alimentar el primario d el transformador ensayado T.I. con una corriente bien elevada. Es decir que el transformador de inyección tendrá un primario de muchas espiras y corriente baja y un secundario de pocas espiras y corriente grande. Esta corriente la podemos medir a través de una pinza amperometrica que no es más que un transformador de intensidad de relación 1000/1 A. Cuando en el miliamperímetro conectado en la pinza leamos por ejemplo 25mA, 25mA x 1000 (relación de Tren..de pinza) =25 a que circula por el primario de T.I. ensayado. El amperímetro conectado en el secundario del T.I. ensayado nos dará la corriente secundaria Is. Con este dato y el anterior podemos calcular relación de transformación del T.I, que debemos comparar con el Ki que dice la chapa. Como precauciones se debe cuidar que nunca el secundario de ninguno de los núcleos quede abierto, ya la corriente que circula por el primario produciría un gran flujo magnético en los núcleos que no sería contrarrestado por una circulación de corriente en el secundario, produciendo la saturación del núcleo con su correspondiente calentamiento y fundición de aislamiento…etc. de saturación : se alimenta el secundario con el incremento de una tensión alterna senoidal a bobinado primario abierto (en vacío), tomando valores de corriente y tensión para los dos núcleos (medición y protección). Como el TI tiene su bobinado primario en vacío, la corriente medida es la magnetizante. Al realizar las mediciones hay que estar atentos a los cambios de rangos en los instrumentos, - Curva

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ya que la corriente variará desde 10 mA hasta 15 A y la tensión desde unos 2 V hasta 90 V aproximadamente. - Por "Seguridad", antes de-realizar cualquier conexión debo Cortocircuitar las bobinas de protección y medición. - El Toroide transforma una baja tensión en una. alta tensión, y una baja corriente en una alta corriente, por eso el uso de los conectores rojos tan grandes. - Para medir la gran corriente del primario se usa la pinza anemométrica que no es más que un TI Y se la conecta a un mA. En Serie => Relación 100 I 5 En Paralelo => 200 / 5 -Al armar el circuito se conectaron los bobinados primarios en serie aditiva; por lo que la relación de transformación es de100/5A, o sea Ki es igual a 20 según lo indicado en la chapa. Se comienza a aumentar la tensión mediante el auto-transformador y se toman valores sucesivos de intensidad en el primario y secundario. Con los valores obtenidos en la medición calculamos el error. Instrumentos:

-Auto-transformador variable (Variac): Monofásico -Transformador de inyección: Núcleo toroidal, para el circuito secundario utilizamos un cable de gran sección arrollado sobre el mismo toroide. -Pinza amperométrica: marca: Chauvin Arnoux, rel; 1000/1A -Transformador de intensidad: marca: Protomax Medición: Rel: 100-200/5 A, Clase 0,5; 30 VA; Ts 15kV; Fs<5 Protección: Re1100200/5 A; Clase 1; 60 VA; Ts 15kV; Fs>10 Especificaciones válidas a 50Hz -Miliamperímetro: marca: Ganz HLA-2, clase 0,5/escalas 60,120,300 Y 600 mA -Amperímetro: clase 0,5; escalas de 3 y 6 A Valores obtenidos:

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Precauciones a tener en cuenta:

Se debe cortocircuitar los bornes del secundario no utilizados ya que la corriente de magnetización produce un calentamiento excesivo en ese secundario, lo que puede ser una condición destructiva si el tiempo de exposición es largo. Comentarios:

Observamos que para mayor intensidad mayor es el error cometido. Para poder reemplazar un instrumento en servicio, no solo basta con quitarlo y poner otro, como lo podríamos hacer con el transformador de tensión, en este caso en necesario cortocircuitar los bornes donde estaba el instrumento, y sacar el puente recién cuando está instalado el nuevo instrumento. 3) Curva de Saturación en el Núcleo:

Se encontrarán las dos curvas de saturación para los circuitos de protección y medición, y obtener conclusiones. Para el núcleo del transformador existe un valor límite de inducción magnética. Una vez alcanzado este valor, cualquier aumento en la intensidad de campo ya no produce un aumento en la inducción magnética; se dice que el núcleo ha sido saturado. Para obtener las curvas vamos a medir los valores de tensión e intensidad, los cuales son análogos a los de inducción magnética e intensidad de campo. Circuito utilizado:

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Maniobra operativa:

Se conecta el auto-transformador al secundario del transformador a ensayar, en serie con un miliamperímetro; y en paralelo se conecta un voltímetro. Se procede a aumentar paulatinamente la tensión en el auto-transformador tomando mediciones de intensidad y tensión. La maniobra debe realizarse dos veces; una para obtener valores en el circuito de protección y otra para obtener valores en el circuito de medición. Los Instrumentos: -Auto-transformador variable (Variac): Monofásico -Transformador de intensidad:

Medición: Rel: 100-200/5 A, Clase 0,5; VA 30; Ts 15kV; Fs<5 P rotección: ReI100200/5A; Clase 1; VA 60; Ts 15kV; Fs>10 -Miliamperímetro: marca: Ganz HLA-2, clase 0,5/escalas 60, 120,300 Y 600 mA -Voltímetro: clase 0,5 escalas de 130, 260 Y 520 V Valores obtenidos:

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Precauciones a tener en cuenta:

Es importante realizar las mediciones tanto en protección como en medición utilizando la misma escala en los instrumentos. Debido a que un cambio en las escalas traería aparejados errores en las mediciones. Conclusiones:

Encontramos que el núcleo del circuito de medición se satura para valores menores de corriente. Por lo tanto en el circuito de protección se puede apreciar con mayor claridad cualquier problema en la línea. Como se pudo apreciar en la, curva para el TI de protección, para valores pequeños de protección, la Imag es pequeña y aumenta en forma casi proporcional para valores crecientes de aquella. A partir de un cierto valor de la tensión secundaria (tensión de saturación o tensión de rodilla) un pequeño incremento de U2 es acompañado por un gran incremento de Imag. Se pudo observar que en este punto un aumento del 10 % de U2 produce un 50 % de incremento de la Imag aproximadamente. También se observó que la Ur(p) >> Ur(m). Vemos que a igualdad de tensión en ambos bobinados secundarios la Imag es mayor en la bobina de medición. (Polaridad) =>Antes de cada conexión se debe identificar cual es el b obinado primario y cual es el secundario. Una vez realizado esto, determinar en el secundario cual es el bobinado de medición y cual es el de protección (para la correcta conexión de los instrumentos), a su vez determinar en el primario polaridad y puntos homólogos. Una vez realizado esto conectar los circuitos correspondientes siempre verificando la correcta utilización de los instrumentos de medición Página 11 de 13




(Relación de Transformación) =>De la tabla de valores .se observa que tanto el bobinado primario-medición como el primario-protección tienen la misma relación de trasformación, pero al superar la corriente nominal de primario el en el de medición el núcleo se satura perdiendo la relación de transformación, en cambio el de pr otección que todavía no satura la conserva. (Curva de Saturación) => Como el T.1. está abierto por el lado del primario, es decir está en vacío; la corriente que medimos es la magnetizaste, o sea, la intensidad necesaria para magnetizar el núcleo. Del gráfico se concluye: 1) Como vemos en la curva para el TI de protección, para valores pequeños de tensión, la Imag. es pequeña y aumenta en forma más o menos proporcional para valores crecientes de aquella. A partir de un cierto valor de la tensión secundaria (U2) llamada tensión de saturación o de rodilla, que indicamos con Ur, un pequeño incremento de U2 es acompañado por un gran incremento de Imag. Entonces definiremos la Ur (tensión de rodilla.) como; "el punto para el cual un aumento del 10% de la tensión secundaria produce un 50% de incremento de la Imag. 2)La definición de la Ur también es válida para el núcleo de medición. 3)La tensión Ur(p) (protección), será mucho mayor que Ur(m) (medida), aproximadamente 4 a 6 veces. 4) La corriente Imag, para el núcleo de medición, a igualdad de tensión será menor que en el de protección. Esto brinda un mayor grado de exactitud, ya que el error en la medida lo introduce la corriente de magnetización, como sabemos por teoría. 5) Si la tensión U se eleva por encima de Ur(m) como sucede en un cortocircuito, la Imag aumenta mucho, introduciendo errores notables. Pero es de hacer notar que la corriente de corto no es vista por el núcleo de medición ya que se satura mucho antes. 6) La Imag no puede aumentar indefinidamente. Existe una corriente lí mite térmica que diremos que es la corriente que soporta durante un segundo sin que sobrepase los 80°C (30 IN) sin que se deteriore la aislación. También existe una corriente limite dinámica que será aquella que soporte sin producir esfuerzos dinámicos q ue destruyan el transformador. También se puede definir el factor de saturación como "el número de veces que la IN

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(corriente nominal) puede circular por el primario sin que el error de relación supere en más del 10% del correspondiente a su clase. Conclusión General:

De acuerdo a lo ensayado observamos que la correcta utilización del TI nos permite medir altos valores de corriente con instrumentos de bajo rango, lo que es una gran ventaja por el hecho de que estos instrumentos son mucho más baratos que los de rango alto. Pero la principal ventaja de usar el TI es de darle mayor seguridad al operario.

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