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3. Dispositivos de protección
Por: Por: Por: Por: IngIngIngIng CCCCéééésar sar sar sar ChiletChiletChiletChilet
Transformadores de protección
2
160
Transformadores de protección
� Reducir las corrientes y tensiones del sistema primario a niveles, que los circuitos de medición y protección puedan manejar.
� Aislar los dispositivos secundarios de los circuitos primarios de Alta tensión.
161
� Hacer posible el uso de medidores y relés secundarios estandarizados.
� Proteger medidores sensibles de sobrecarga.
� Hacer posible centralizar los sistemas de medición y protección.
Transformadores de protección
3
Transformadores de corriente
163
Transformadores de corriente
� La norma IEC 187describe las características nominales y otros valores de los transformadores de corriente.
� El nivel de aislamiento está basado en la tensión nominal de la red.
4
164
Conexiones de los transformadores de corriente
T.C. DE 2DEVANADOSPRIMARIOS
T.C. DE 3 NÚCLEOST.C. UN SOLONÚCLEO
A
P1
P2
S1
S2
1S1
A
R1
R2
1S2
2S2
3S2
2S1
3S1
P1
P2
Núcleo ydevanado de
medición
Núcleo ydevanado deprotección
Núcleo ydevanado deprotección
C1 C2
P1P2
S1 S2
165
Corriente Ith soportable de corta duración
� La corriente Ith capaz de resistir durante una corta duración es el valor eficaz (r.m.s.) de la corriente primaria, que el Transformador de corriente puede soportar durante 1 segundo. El secundario del Transformador de Corriente debe estar cortocircuitado durante esta prueba.
5
166
Corriente pico soportable
� La corriente Idyn pico soportable es el valor pico de la corriente primaria, que el Transformador de Corriente resiste mecánicamente.
167
Corriente primaria nominal
� Los valores de la corirente primaria nominal normalizada Ipn son 10 -12,5 - 15 - 20- 25 - 30 - 50 - 60 - 75 A y sus múltiples decimales.
� Generalmente la corriente nominal primaria deberá ser seleccionada un tanto más grande que la corriente de carga continua permisible. El factor de sobrecarga es sólo 20%.
6
168
Corriente secundaria nominal
� Las corrientes secundarias nominales más comunes ISN son 1A y 5A. 5A es usual en sistemas de M.T. En Europa, 1A es cuando en todos los nivelsde tensión arriba de 110 kV para minimizar el BURDEN (carga) de los alimentadores.
169
Error de relación de transformación
� Para T. C. para propósitos de medición y protección el error está definido. Este error es calculado por la fórmula:
Donde:Kn = relación de transformación nominal del T.C. Ipn/Isn
Ip = Valor eficaz (r.m.s.) de la corriente en el primarioIs = Valor eficaz (r.m.s.) de la corriente en el secundario.
( )p
pSn
I
IIKiF
100
−=
7
170
Error angular
� El error angular es la diferencia angular entre la corriente de fase secundaria y la corriente de fase primaria. El error es positivo si el fasor corriente secundario está en adelanto respecto al fasorde corriente primario.
21 · IKImagnituddeError −=δ
I1
I2
171
Burden nominal del T. C.
� La potencia nominal Sn del T.C. Está definido como la potencia aparente en VA, la corriente nominal y el BURDEN.
� Esta potencia no debe ser excedida en operación, es decir la suma de los BURDENS de todos los dispositivos conectados al T.C. más la carga de los alimentadores no deben ser más grandes que la potencia nominal Sn.
� Los BURDENS nominales preferidos de los T. C. son:2, 5, 10, 15, 30, 45, 60 VA.
8
172
Clase Burdenx SN
Cos φφφφ I1x I1N
Error demagnitud
%
Errorde
fase±±±± min.
Errortotal
%
0,1 0,25 - 1 0,8 Ind
0,050,21,01,2
0,40,20,10,1
15855
-
0,2 0,25 - 1 0,8 Ind
0,050,21,01,2
0,750,350,20,2
30151010
-
0,5 0,25 - 1 0,8 Ind
0,050,21,01,2
1,50,750,50,5
90453030
-
1 0,25 - 1 0,8 Ind
0,050,21,01,2
3,01,51,01,0
180906060
-
335
0,5 - 1 0,8 Ind0,51,2
0,5 – 1,2
335
- -
5P 1 0,8 Ind 1n
1-
60-
-5
10P 1 0,8 Ind 1n
3-
- -10
Clase de presición de los transformadores
de corriente
173
� 5 P y 10 P son las clases de exactitud principalmente usados para núcleos de protección. P indica que es para protección y el número significa el error en porcentaje total ec definido por el rango entero de sobrecorriente.
Donde:� Kn → Relación de transformación nominal del T.C. Ipn/Isn� ip(t) → Valor instantáneo de la corriente primaria.� is(t) → Valor instantáneo de la corriente secundaria.� Ip → Valor eficaz de la corriente primaria.� T → Período de la frecuencia nominal del sistema.
( ) ( )[ ]p
2
I
1
100 ∫ −=
dttitiKTe
psn
T
c
Error total porcentual
9
174
Factor de sobrecorriente nominal FSN
� El factor de sobrecorriente nominal FSN expresa la respuesta a la sobrecorriente del núcleo del T.C. Es el múltiplo de la corriente nominal primaria (IPN) en la cual el error total ec al BURDEN nominal no excede el 5% para transformadores de corriente clase 5P y 10% para T.C. Clase 10P.
175
Representación del factor de sobrecorriente nominal (FSN)
20
15
2015
5P20
10P15Fg < - 5%
Fg < - 10%
NI
I
2
2
NI
I
1
1
10
176
Burden secundario real del transformador de corriente
� Si la corriente secundaria nominal del T.C. Y la corriente nominal del relé son diferentes, la potencia nominal del relédebe ser cambiado por la correspondiente corriente nominal del transformador de corriente. Esto puede ser realizado con la siguiente fórmula:
Donde:� SrN = Potencia nominal del relé a la corriente nominal IrN� IrN = Corriente nominal del relé� ISN = Corriente secundaria nominal del T.C.� Sm = Burden del relé a la corriente ISN.
rN
rN
SNm S
I
IS
2
=
177
� Transformadores de corriente en las 3 fases, tienen un conductor común de retorno, para la corriente nominal secundaria ISN = 1A
Donde:
� SCU → Burden debido a los conductores de cobre.
� SAL → Burden debido a los conductores de aluminio.
� → Distancia en el T.C. y el relé (m).
� A → Calibre del conductor (mm2)
( )VAA
SCU
= l0192,0
Burden causado por los alimentadores
l
( )VAA
SAL
= l0300,0
11
178
Dos transformadores de corriente
� Dos transformadores de corriente, uno en cada fase, que tienen un conductor común de retorno. Para una corriente secundaria nominal ISN = 1A
( )VAA
Scu
= l0332,0 ( )VA
ASAL
= l0520,0
179
Factor de sobrecorriente efectivo� Donde el BURDEN secundario real de un T.C. difiere del
BURDEN nominal.El factor de sobrecorriente efectivo (Fs) varía de acuerdo a la siguiente ecuación:
Donde:� Si = BURDEN propio del T.C. En V.A. Aproximadamente 0,1 SN
� SN= BURDEN del T.C. Nominal en (VA)� SK= BURDEN secundario real incluyendo el BURDEN de los
alimentadores (VA)� FSN = Factor de sobrecorriente nominal� El factor de sobrecorriente efectivo puede ser incrementado
reduciendo el BURDEN SK.
++=
Ki
NiSNs
SS
SSFF
12
180
Diferentes métodos de conexión de T.C.´s para propósitos de protección
Conexión YCorriente por fase
Conexión VCorriente de fase
181
Diferentes métodos de conexión de T.C.´s para propósitos de protección
Conexión HolmgrenCorriente neutral
Conexión DeltaCorriente de Línea
13
182
Diferentes métodos de conexión de T.C.´s para propósitos de protección
Longitud diferencialCorriente diferencial
Transformadores de potencial
14
184
Transformadores de tensión
� Los transformadores de tensión reducen la tensión del sistema primario con errores de relación y angular pequeños a un nivel en el cual los circuitos de medición y protección pueden manejar.
� Ellos también proveen el aislamiento entre la alta tensión del sistema primario y los dispositivos conectados a los secundarios.
� Las normas IEC 186 e IEC 186A describe las características nominales de los transformadores de tensión.
� Una distinción es también el hecho entre la clase de precisión de un transformador de potencial para medición y uno para protección.
185
� El porcentaje de error de tensión es definido por:
Donde:
� Nn→ Relación de transformación nominal (U1N/U2N)
� Us → Valor eficaz (r.m.s.) de la tensión en el secundario
� Up → Valor eficaz (r.m.s.) de la tensión en el primario
Porcentaje de error de magnitud de Tensión Fu
( )P
PSnU
U
UUNF
−= 100
15
186
Error angular δU
� El error angular δδδδU estádefinido como el desfasaje angular entre los fasores de tensión Up y Us.
187
Transformador de tensión
Tensión primaria
Tensiónnominalprimario
3
U
U
U
U
Tensiónnominal
secundario
3
100
Uo
Devanadoprimario
Devanadosecundario
V V V
Conexión deltaabierta para medir
la tensiónhomopolar
16
188
Tensión nominal del primario Upn
� La tensión nominal del primario es normalmente la tensión nominal del sistema de potencia.
� Los valores primarios nominales normalizados son: 3, 6, 10, 20, 30, 45, 110, 220, 380 KV para T.P. Conectados entre fases.
� Para T.P. Conectados entre fase-tierra, la tensión nominal del primario es la tensión del sistema de potencia dividido entre √3.
189
Clase de precisión de T.P. para medida
CLASEError de
magnitud±±±± %
Errorangular
±±±± minutos0,10,20,513
0,10,20,51,02,0
5102040-
• Tensión del primario debe estar entre 80 – 120%• El BURDEN puede variar entre 25 – 100% SN
17
190
CLASEError de
magnitud±±±± %
Errorangular
±±±± minutos
3P6P
36
120240
Clase de precisión de los T. P. para protección
� Los T.P. Empleados para propósitos de protección deben de cumplir una precisión normal demandada (exigida)
� Las clases son llamadas 3P ó 6P.� Los errores límites deben ser mantenidos sobre el rango
0,05 UN< UN < KN UN, cuando el BURDEN varie entre 25% →100% SN
191
Tensión nominal del secundario USN
� Las bobinas del secundario son con el propósito de los siguientes usos:
� Bobina de medición → sólo para propósitos de medición
� Bobina de protección → puede ser usado para ambos propósitos: medición y protección
� Bobina delta abierto → es sólo con el propósito de protección.
18
192
� Muchos T,P. Tienen 2 devanados secundarios. Uno para medición de tensión fase-tierra, el otro para medición de tensión homopolar durante fallas a tierra.
� A causa de que dos bobinas separadas tienen un núcleo común, la carga de una de las bobinas afecta la precisión de la medición de las otras bobinas.
Tensión nominal del secundario USN
193
Tensión secundaria normalizada de T.P.
Bobina primaria conectadaentre fases
Bobina primaria conectadaentre fase - tierra
Bobinas de medicióny protección
Delta abierto
100 V ó 200 V
3
200 ó
3
100
3
200 ó
3
100
19
194
BURDEN nominal de los T.P.
� El BURDEN nominal de los T.P. es la carga promedio más grande, a la tensión nominal primaria, que puede ser conectada al secundario. Los valores típicos son:
� 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400 y 500 VA.
� La potencia nominal del devanado delta abierto será, donde S es la potencia total permitida para las 3 bobinas.
3
S
195
Factor de sobredimensionamiento del núcleo de protección KN
� El factor de sobredimensionamiento KN expresado como múltiplo de la tensión y el tiempo que un T.P. puede ser usado a la tensión primaria, el cual es KN x TENSIÓN NOMINAL PRIMARIA.
20
196
SobredimensionamientoFactor K N
TiempoConexión de la
Bobina primaria y tierradel Sistema de Potencia
1.2Continuo
• Entre fases• Entre neutro del transformador y
tierra del total de la red.
1.2
1.5
Continuo
30 s
• Entre fase y tierra en redessolidamente a tierra
1.2
1.9
Continuo
30 s
• Entre fase y tierra sin aterramientoefectivo.
• Disparo de la protección por falla atierra.
1.2
1.9
Continuo
8 h
• Entre fase y tierra.• Redes con neutro aislado.• Redes compensados.
• La protección no dispara por falla atierra.
197
Diferentes formas de conectar T.P. para propósitos de protección
Designación del circuitosegún la variable a medir Circuito
Tres tensiones porseparado, tensiones de
fase, conexión en Y.
Tensiones de línea y defase.
Dos tensiones porseparado, dos fases,
conexión en V.
Tensiones de fase.
21
198
Diferentes formas de conectar T.P. para propósitos de protección
G
Designación del circuitosegún la variable a medir Circuito
Las tres tensiones porseparado, una fase, con
dos devanadossecundarios.
Tensiones de fase, líneay homopolar
Tensión monofásica
Tensión homopolar
Uo
Uo
Protección con fusibles
22
200
Fusibles
� Esencialmente protegen contra cortocircuitos.
� Es el método de protección más antiguo.
� Se basa en el incremento de temperatura que sufre el elemento fusible, al pasar la sobrecorriente. El tiempo de fusión es inversamente proporcional a la sobreintensidad.
201
Fusibles - Ventajas
VENTAJAS :� Es un método de protección
simple.� Relativamente económico.� Limita y extingue las corrientes
de cortocircuito en menos de 5ms. Reduciendo así las solicitaciones térmicas y dinámicas en la instalación.
� Su funcionamiento es independiente.
IS
t1 t2
tT
Ic
I
t
23
202
Fusibles - desventajas
DESVENTAJAS :� Falta de precisión.� Envejecimiento� Tiempos de
operación demasiado prolongados para las sobrecargas. I
t
Tiempo mínimo de fusión
Tiempo total deaclaramiento
Curvas características
203
Clasificación de los fusibles
� Clasificación� Fusibles de expulsión (tipo N, K , T )� Limitadores de corriente
� Otra clasificación� Fusible de potencia (2,18 kV - 169 kV) …. X/R=10-
25� Fusible de distribución (5,2 kV - 38 kV)… X/R= 8-15
24
204
Selección de los fusibles de distribución
Los Fusibles rápidos (K ) desconectan al sistema de fallas en menos tiempo y coordinas mejor con los relés.Los Fusibles Lentos (T) soportan corrientes transitorias mayores (corrientes de arranque, carga fría, etc.) y coordinan mejor con otros fusibles de la misma clase y de clase diferente.
� Para la selección se debe considerar:� La máxima carga normal.� La corriente de arranque� La carga fría.
205
Consideraciones de selección
� Para la selección se debe considerar:� La máxima carga normal.� La corriente de arranque� La carga fría.
� Para seleccionar la tensión adecuada del fusible se debe tener en cuenta :� Conexión del sistema� Tensión del sistema.� Conexión de los transformadores del sistema.� Tipo de aterrizaje a tierra.
25
206
Capacidad de los fusibles de distribución
� Según NEMA, los fusibles de distribución pueden llevar una carga continua de 150% de su valor nominal.
� Cabe indicar que para temperaturas ambientes extremas y precargas grandes afectan las curvas t-I, por lo tanto deben de considerarse en caso de tenerse estas condiciones.
I NOMINAL( K o T )
I CONTINUA( A )
6
8
10
12
15
20
25
30
40
50
65
80
100
140
200
9
12
15
18
23
30
38
45
60
75
95
120
150
190
200
