PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Transformadores de corriente y potencial

Dr. Ernesto Vázquez Martínez © UANL

Funciones básicas de los TC y TP

� Reproducir el comportamiento de las señales

de corriente y voltaje en magnitudes reducidas

independientemente de la condición de

operación (normal y falla).

� Proporcionar aislamiento galvánico entre el

sistema de potencia y los equipos conectados

en el secundario.

� Realizar funciones de protección y/o medición.

Transformadores de corriente

� Electromagnéticos (TC),

� Transreactores,

� Transductores magnéticos,

� Optoelectrónicos.

Circuito equivalente de un TCClase TClase C

Condiciones de operación en un TC

� Cuando el TC opera como fuente de corriente, IS depende de IP independientemente de la impedancia de carga ZC conectada en el secundario del transformador.

IS = (nP / nS) IP = IP / nTC

IS = IP – Ie

� Régimen de cortocircuito: Ie → 0

� Régimen de circuito abierto: Ie → IS

Criterios de selección de un TC

� La selección de la relación de transformación del TC (nTC) se basa, en una primera aproximación, en la corriente nominal del secundario:

Is máxima (estado estable) < Is nom

de tal forma que no se sobrepase el límite térmico de régimen continuo del transformador, y que los instrumentos de medición conectados en el esquema no se salgan de la escala normal,

� Criterio para evitar saturación.

Error de transformación de un TC

( )∫ −=

=−=

T

0

2SP

P

P

e

P

SPT

dtIIT1

I100

ε

II

III

EI

� Error de transformación de corriente (pu):

� Factor de corrección de transformación:

ideal TCreal TC

T

nRn

E11

RI

=

−=

Burden de un TC

2S

SB

B2SSSs

IS

Z

ZIIVS

=

==

IP

IS

ZB

� En general, la potencia nominal del TC (Ss nom) no debe exceder el burden de la carga conectado en el secundario (ZB nom) incluyendo los conductores.

Desempeño de un TC

� Medida de la capacidad del TC para reproducir el

comportamiento de la corriente primaria en la corriente

secundaria, tanto la magnitud como forma de onda de la

señal (corriente de magnetización y efecto de saturación).

� Componente simétrica de corriente alterna.

� Ecuación del transformador.

� Curvas de comportamiento del TC.

� Clase de precisión (ANSI/IEEE).

� Componente aperiódica exponencial de corriente directa.

Desempeño de un TCEcuación del transformador

� El voltaje inducido en el transformador se

adelanta 90o al flujo que lo produce:

( ) voltsZZRIV

voltsfNAB4.44fNφ2

2πV

ωtcosωNφdtdφ

Ndtdλ

e

relevadorsconductoreSSef

maxmaxef

max

++=

==

===

Desempeño de un TCCurvas de comportamiento del TC (1)

(pu)IS

(pu)IP

B 0.1 THROUGH B 1.0

B 2.0

B 4.0

Desempeño de un TCCurvas de comportamiento del TC (2)

VS

Ie

IL

IH

Determinar ILCalcular VS = IL ZT

Determinar Ie a partir de la curva

Calcular la corriente primaria IH = n (IL + Ie)

Desempeño de un TCCurvas de excitación del TC

Desempeño de un TCCurvas de de clase de precisión de TC’s clase C (1)

� Máximo voltaje del devanado secundario

que el transformador puede proporcionar

para una carga nominal (burden) a una

corriente de 20 veces el valor nominal por

secundario sin exceder un error del 10%.

� Si la corriente es menor, la carga admisible

puede ser mayor en la misma proporción.

Desempeño de un TCCurvas de de clase de precisión de TC’s clase C (2)

Tipos de precisión en TC (1)IEC estándar

� 15VA Class 10 P 20

� En este ejemplo, para Is = 5 A, se tiene voltaje de 15/5 = 3 volts, y el error no será mayor al 10% hasta un valor de (20)(3) = 60 volts.

Factor del límite de precisiónAplicación en protecciónTipo de precisiónPotencia nominal(régimen continuo)

Tipos de precisión en TC (2)IEC estándar

� Para estos valores estándard, el burden máximo permitido es 30/52 = 1.2 ohms, lo que equivale a un TC ANSI/IEEE C180.

1, 2, 5Corriente secundaria nominal

5, 10, 15, 20, 30Factor límite de precisión

5, 10%Clase de precisión

2.5, 5, 10, 15, 30Potencia nominal

Burden de los TC durante fallas (1)Cortocircuito trifásico

Burden de los TC durante fallas (2)Cortocircuito entre fases

Burden de los TC durante fallas (3)Cortocircuito de una fase a tierra

Comportamiento transitorio de un TC debido a la componente de corriente de DCTC con una característica lineal de saturación

( ) ( )

=

−−−+=

−

−

RX

tanθ

θseneθωtsenI2I

1

t

1 ϕϕ τ

Corrientes primaria y secundaria, y los encadenamientos de flujo en un TC con un burden resistivo

λNivel de saturación

Comportamiento transitorio de un TC debido a la componente de corriente de DC

� Desde un punto de vista práctico, se

puede concluir que los TC utilizados en

esquemas de protección reproducen la

corriente primaria con razonable exactitud,

durante aproximadamente ½ ciclo o más

(8 a 10 ms) antes de que se manifieste

una saturación severa por la componente

de CD.

Selección de TC

� C37.110-1996 “IEEE Guide for the Application of

Current Transformers for Relaying purposes”.

� Describe los criterios de selección de TC

para esquemas de protección tipo diferencial,

sin embargo no se proporcionan criterios

para protección de líneas de transmisión.

Burden de voltaje en TC

V Nd

dt

Vdt N BAN

V I Z e tF B

R

Lt

=

= =

= −

∫

−

φ

φ

ωcos( )

Voltaje de saturación en un TC

V BANX

RI Z

V I Z

X

R

I

I

Z

Z

F B

N STD

F

N

B

STD

= = +

=

≥ +

ω 1

20

20 1

Criterio para evitar la saturación en un TC

20 1≥ +

X

RI Zf b

� If Máxima corriente de falla expresada en

p.u. de los valores nominales del TC.

� Zb Burden en p.u. del burden estándar del TC.

Efecto del flujo remanente en un TC

φ

Ie

I'e

Efecto de desenergización (1)

TC: C100 600/5TAP: 100/5

ZL = 0.63 ohms/fase

Zr = 16 ohms (TAP 0.5 A)

Efecto de desenergización (2)

0.63 ohms/fase

8.79 V33.4 A

Transformador de corriente de suma de flujos

TC toroidal(tipicamente 50:5)

Relevador de tierraBlindaje

Falla

Aplicación de TC auxiliares

� Obtener distintas relaciones de transformación,

� Modificar la fase de la corriente,

� Aumentar el nivel de aislamiento.

TC auxiliar

TC principalP S

n

ZB

2B

B nZ

Z =′

Z'B

TC basado en el principio magneto-óptico de Faraday (1)

δP=VHLV=cte de Verdet; para el quarzo 5.23 10-6 rad/A-m

TC basado en el principio magneto-óptico de Faraday (2)

TC óptico (1)

TC óptico (2)

Transformadores de potencial

� Electromagnéticos (TP),

� Divisores capacitivos de potencial (CCVT)

� Optoelectrónicos.

Características de aplicación de los TP

� Nivel de aislamiento (pasos en cascada para voltajes muy elevados).

� Insensibles a la saturación (VFALLA < VNOM)

� Protección por fusibles (operación incorrecta de protecciones).

Alternativas de conexión de los TP y CCVT

Fase

Tierra

Circuito equivalente de un TP

5%V

VV(pu)E

P

SPTV

<−=

Burdens y precisión de los TP (ANSI Estándar)

0.100.700.200.850.850.85

12.5253575200400

WXMYZ

ZZ

FPVA nominalesBurden

1.012 – 0.9881.006 – 0.0041.003 – 0.997

1.20.60.3

Limites del factor de corrección

Clase de precisión

Aplicación de TP en sistemas aislados de tierra o con aterrizamiento de alta impedancia

FallaFusibles I=0

Estructura básica de un CCVT

( )

++−=

+=

211th2

21

1prith

CCjω1

LjωIEE

CCC

EE

Reactor decompensación

Reactor dedrenaje

1 a 4 kV

69, 120 V

Circuito supresorde ferroresonancia

Respuesta transitoria de un CCVT (1)Voltaje secundario

Estado estable

Respuestatransitoria

Respuesta transitoria de un CCVT (2) Circuito de supresión de ferroresonancia

Relevadores

Circuito supresor

Respuesta transitoria de un CCVT (3) Características de los CCVT, productos de ABB

12.06.2

12.010.511.09.5

23.57.023.515.017.512.0

1.04.11.04.14.14.1

200200200400200400

1.21.21.20.31.20.3

-- - -1.571.001.941.262.51

PCA-5PCA-7PCA-8PCA-9

PCA-10PCA-X

16 ms8 ms

Respuestatransitoria(% voltaje)

Capacitancia(pu)*

VAmaxPrecisiónen estado

estable(%)

Costo(pu)

Tipo

* 1 pu = 0.006 a 115 kV

Respuesta transitoria de un CCVT (4) Circuito equivalente sin circuito supresor y Lm→∞

( )

( )

<≥+

=′

>≤+

=

0t,0

0t,θωtcosE-(t)e

0t,0

0t,θωtcosEe(t)

max

max

Respuesta transitoria de un CCVT (5) Modelo completo del CCVT

Falla a voltaje máximo Falla a voltaje cero

Respuesta transitoria de un CCVT (6) Conclusiones

� En general, el comportamiento transitorio del voltaje

de salida del CCVT puede presentar oscilaciones

amortiguadas y/o componentes aperiódicas

exponenciales que reducen la magnitud de la

componente fundamental del voltaje, en

dependencia de los siguientes factores:

� Diseño del CCVT,

� La carga conectada (burden),

� Punto de incidencia en la onda de voltaje.

Efecto de la respuesta transitoria del CCVT en dependencia del SIR (ZS/ZL) sobre el alcance de relevadores de distancia

5 10 2015 25 30SIR

Max

. Z

one

1 R

each

Set

ting

(p.u

.)

00

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Soluciones al problema de sobrealcance en relevadores de distancia debido a la respuestatransitoria del CCVT

� Reducir el alcance de la primera zona,

� Introducir un retardo de tiempo en la operación

de la primera zona (permitir que el efecto

transitorio debido al CCVT desaparezca),

� Ajuste adaptivo del alcance de una primera

zona instantánea en base a la determinación

del SIR.

TP basado en el efecto Pockels

δE=KELK=cte electro-óptica; para el quarzo 8.12 10-6 rad/V-m

TP óptico (1)

TP óptico (2)

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Transformadores de corriente y potencial

Dr. Ernesto Vázquez Martínez © UANL