4 Transformadores de Medida - Grupo N°3 PDF

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL SAN RAFAEL Departamento: Ingeniería Electromecánica Cátedra: Mediciones Eléctricas Nivel: Cuarto Alumnos: Ivan Juarez Franco Bilyk Oscar Suarez Lihue Fornes Tiago Martin Índice Intro...

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL SAN RAFAEL Departamento: Ingeniería Electromecánica Cátedra: Mediciones Eléctricas Nivel: Cuarto Alumnos: Ivan Juarez Franco Bilyk Oscar Suarez Lihue Fornes Tiago Martin Índice Introducción 5 Definición 5 Necesidad 6 Misiones del Transformador de medida 6 Principio de funcionamiento 7 Características Constructivas 9 Características de las chapas 9 Núcleos 9 Núcleo acorazado 10 Núcleo de columnas 10 Devanados 12 Refrigeración 12 Formas de Construcción 13 Transformadores en aceite 13 Transformador no protegido: 14 Transformador de cuba o protegido: 14 Transformador de soporte con anillos cruzados: 15 Transformador Barra Pasante en Resina: 15 Clasificación 16 Transformadores de Medida 17 Formas de conexión de los transformadores de medida 17 Relación de transformación para transformadores de medida 19 Potencia aparente 20 Transformador de Tensión 21 Constitución y formas de trabajo 23 Conexionado 25 Estrella 25 Triángulo 25 A tierra 25 Relaciones entre primario y secundario. 26 Características propias de los transformadores de tensión 26 Potencia de carga secundaria 27 Potencia límite 28 Estandarización de los transformadores de medida de tensión 28  Parámetros y definiciones de los transformadores de tensión 28 Tipos de transformadores de tensión 30 Identificación de bornes 30 Condiciones de servicio 32 Tipos de transformadores de tensión 32 Transformadores de tensión de protección 33 El transformador de tensión capacitivo 34 Diagrama fasorial 34 Transformador de tensión ideal 34 Transformador de tensión real 35 Errores 37 Error de relación 37 Error angular 37 Transformadores de intensidad 38 Tipos de Transformadores de Corriente 39 Esquema de Conexión de un Transformador de Corriente 39 Conexionado a tierra 41 Principio de Funcionamiento Transformador de Intensidad 41 Cálculos en Los Trasformadores de Corriente 42 Características de los Transformadores de Corriente 42 Desconexión del Secundario 43 Tipos de transformadores de corriente 43 Trasformadores de Corriente de Barra Pasante 44 Cambiar la Relación de Transformación 44 Factor de sobrecarga 45 Pinza amperométrica 47 Funcionamiento 48 Diagrama fasorial 49 Transformador de intensidad ideal 49 Transformadores de intensidad real 49 Errores 50 Error de relación 50 Error angular 50 Transformador de corriente continua 51  Principio de funcionamiento 51 Medición de corriente por efecto hall 51 Electrones de un conductor en el campo B 51 Origen de la tensión Hall 52 Efecto Hall en láminas finas 52 Principio de funcionamiento 53 Simbología 53 Precauciones 54 Conexiones 54 Transformadores de medida no convencionales 54 Efecto Faraday 55 Diseños 56 Efecto Pockels y Keer 57 Transformadores convencionales con salida óptica 57 Transformadores que utilizan un divisor capacitivo y salida óptica 58 Transformadores que utilizan anillos de Rogowsky 59 Construcción 59 Ensayo a los transformadores 60 Ensayos individuales o de rutina 60 Ensayos de tipo 61 Normativa 62  Introducción El transformador es una máquina eléctrica estática, destinada a funcionar con corriente alterna, constituida por dos arrollamientos, primario y secundario, que permite transformar la energía eléctrica, con unas magnitudes V-I determinadas, a otras con valores en general diferentes. La importancia de los transformadores se debe a que gracias a ellos ha sido posible el enorme desarrollo en la utilización de la energía eléctrica, haciendo posible la realización práctica y económica del transporte de la energía a grandes distancias. Téngase en cuenta que la transmisión de la energía eléctrica desde los lugares donde se produce (centrales) hasta los numerosos centros de consumo es tanto más económica cuanto más alta es la tensión de las líneas, pues con ello se hace menor la corriente y en consecuencia se reduce la sección de los conductores. Sin embargo, las tensiones genera-das en los alternadores de las centrales eléctricas están limitadas, por consideraciones tecnológicas, a valores que oscilan entre los 15 y 30 KV, que son insuficientes para alcanzar tal objetivo; por otro lado, salvo casos sumamente raros, la corriente a alta tensión no puede enviarse directamente a los aparatos de utilización, porque éstos requieren normalmente tensiones más bajas. Los transformadores permiten conciliar de una forma idónea estas necesidades opuestas, de tal forma que para reducir las pérdidas en la línea se realiza una primera transformación que eleva la tensión de salida de los alternadores a valores del orden de 380-400 kV, a los cuales se realiza el transporte de energía; existiendo en los centros receptores otros transformadores que realizan el proceso inverso, reduciendo la tensión hasta los niveles que se consideren convenientes para la distribución y con-sumo de esta energía. El arrollamiento de mayor tensión recibe el nombre de devanado de alta tensión (A.T.) y el de menor tensión se denomina devanado de baja tensión (B.T.). Definición Los transformadores se definen como máquinas estáticas que tienen la misión de transmitir, mediante un campo electromagnético alterno, la energía eléctrica de un sistema primario a otro secundario; transformando este sistema primario de corriente alterna, en otro secundario de intensidad y tensión generalmente diferentes. Decimos que un transformador permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna a voluntad, manteniendo la frecuencia y transmitiendo la energía eléctrica casi en su totalidad, ya que la potencia (energía eléctrica) que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, y demás factores; pero así mismo tienen muy altos rendimientos (cercanos al 98%). Una de sus principales características es adaptar una instalación o aparato a las condiciones óptimas de funcionamiento con simplicidad y de forma económica. Están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios (dicho apropiadamente devanado de baja tensión y devanado de alta tensión), respectivamente según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión. Necesidad En las instalaciones eléctricas existe la necesidad de conectar aparatos de medida, así como también es preciso disponer de distintos elementos con finalidades diversas (protección, aviso, enclavamiento, etc.). Estos suelen ser de constitución delicada, reducidas dimensiones y buena precisión. Frecuentemente las magnitudes que hay que medir, manipular o vigilar, son elevadas corrientes, elevadas tensiones, o ambas circunstancias. Por lo expuesto, se resuelve conducir magnitudes proporcionales a las originales con la característica de que estas nuevas magnitudes sean más manipulables y manejables, mediante el uso de “transformadores de medida” o “transformadores de protección” según corresponda. Ahora imaginemos que un transformador alimenta aparatos de medida y que en el primario circula una corriente de cortocircuito superior a la nominal. Esta corriente puede averiar el aparato de medición. Por el contrario, un transformador que alimenta un relé de protección necesita que la corriente secundaria sea una reproducción fidedigna de la del primario para que el relé actúe con exactitud ante un desperfecto. Por ello diferenciamos entre transformadores destinados a alimentar aparatos de medida o de protección. Aparatos de medida: Destinados a medir corrientes normales sin que, ante valores anormales, tenga que provocar alguna respuesta. Aparatos de protección: Estos aparatos, ante valores anormales de la magnitud, han de dar respuesta de aviso o corrección. “Según lo anterior, se aconseja desde un principio no reunir en un mismo secundario de un transformador aparatos de medida y protección”. Se debe a tres condiciones: Seguridad: Se trabaja, generalmente, con 100 a 110 volt en las medidas de tensión en los paneles y unos pocos Amperios en las medidas de intensidad. Además, permiten la fácil puesta a tierra de los aparatos de medida y se logra una adecuada protección. Comodidad: Pueden colocarse los aparatos de medida en los lugares que más convenga, lejos del lugar de la tensión o la corriente a medir. Economía: A pesar de que el empleo de un TI o un TV significa un costo adicional, por su poco consumo propio y también del aparato de medida conectado, frente al alto consumo que significaría medir directamente la magnitud propuesta, resulta una economía apreciable en la correspondiente amortización del conjunto, a favor del transformador. Misiones del Transformador de medida Los transformadores de medida tienen sus arrollamientos primario y secundario separados eléctricamente entre sí y transforman la corriente alterna (o la tensión alterna), que se trata de medir, en otra corriente (u otra tensión) del valor adecuado para el instrumento de que se trate. En las instalaciones de alta tensión, separan eléctricamente de la alta tensión la instalación de medida, para que ésta se realice con tensión baja de manera que el instrumento medidor pueda observarse sin peligro alguno para el operario.  La interposición de este protege el instrumento medidor contra las sobretensiones y las sobre corrientes de la red. Por construcción, los transformadores de medida son mucho más resistentes a las acciones térmicas y dinámicas, que los instrumentos medidores. Si se consideran transformadores de medida ideales, se pueden obtener los valores eficaces (módulo) de tensión y corriente en el secundario, a través de las respectivas relaciones ideales KU y KI. Sin embargo, en el transformador real existe un apartamiento de las condiciones ideales, debiendo reemplazar los signos de igualdad por los de aproximadamente igual. Principio de funcionamiento Considerando el transformador monofásico de la figura, constituido por un núcleo magnético real de permeabilidad finita, que presenta unas pérdidas en el hierro Pfe y unos arrollamiento primario y secundario con un número de espiras N1 y N2 respectivamente. Supondremos que el transformador se alimenta por el devanado de tensión más elevado, es decir, se considera que la máquina va a trabajar como transformador reductor (Para el caso de transformadores de medida siempre será reductor). El devanado primario se comporta como receptor respecto a la fuente de alimentación, lo que significa que este devanado absorbe una corriente y una potencia y desarrolla una f.c.e.m. (fuerza contra electromotriz). El devanado secundario se comporta como un generador respecto a la carga conectada en sus bornes (instrumento de medida), suministrando una corriente y una potencia, siendo a su vez el asiento de una f.e.m inducida. Al aplicar una tensión alterna V1 al primario, circulará por él una corriente alterna, que producirá a su vez un flujo alterno en el núcleo cuyo sentido vendrá determinado por la ley de Ampère aplicada a este arrollamiento. En la figura anterior se muestran los sentidos positivos de la corriente y el flujo para el instante definido por la polaridad de la tensión aplicada. Debido a la variación periódica de este flujo se crearán f.e.m.s. inducidas en los arrollamientos, que de acuerdo con la ley de Faraday responderán a las ecuaciones: 𝑑Φ 𝑑Φ 𝑒 1 = 𝑁1 * 𝑑𝑡 ; 𝑒2 = 𝑁2 * 𝑑𝑡 Estas f.e.m.s. tienen las polaridades señaladas para que estén de acuerdo con la ley de Lenz, de oposición al cambio de flujo. Realmente e1 representa una f.c.e.m. porque se opone a la tensión aplicada v1 y limita de hecho con la corriente de primario. La polaridad asignada de e2 en la figura anterior tiene en cuenta que al cerrar el interruptor S del secundario se tendería a producir una corriente I2 en el sentido mostrado en la figura, de tal modo que al circular por el devanada secundario daría lugar (aplicando la ley de Ampère a este arrollamiento) a una acción antagonista sobre el flujo primario como así lo requiere la ley de Lenz. De ahí la no inclusión del signo menos en las expresiones anteriores. En definitiva, de acuerdo con este convenio de signos la f.m.m del secundario actúa en contra de la f.m.m. primaria produciendo un efecto desmagnetizante sobre ésta. Aplicando la 2º ley de Kirchhoff a los circuitos primario y secundario de la figura nos da: 𝑑Φ 𝑑Φ 𝑣1 = 𝑒 1 = 𝑁1 * 𝑑𝑡 ; 𝑣2 = 𝑒 = 𝑁2 * 𝑑𝑡 2 Si se parte de un flujo senoidal de la forma Φ = Φ𝑚 𝑠𝑒𝑛(𝑤 * 𝑡) = Φ𝑚 cos 𝑐𝑜𝑠 (𝑤 * 𝑡 − 90°) Teniedo en cuenta las anteriores ecuaciones llegamos a 𝑣1 = 𝑒1 = 𝑁1 * 𝑤 * Φ𝑚 * cos 𝑐𝑜𝑠 (𝑤 * 𝑡) ; 𝑣2 = 𝑒2 = 𝑁2 * 𝑤 * Φ𝑚 * cos 𝑐𝑜𝑠 (𝑤 * 𝑡) Lo que indica que las tensiones y f.e.m.s van adelantas 90° respecto al flujo, siendo sus valores eficaces 𝑁1*𝑤*Φ𝑚 𝑉1 = 𝐸1 = = 4, 44 * 𝑓 * 𝑁1 * Φ𝑚 2 𝑁2*𝑤*Φ𝑚 𝑉2 = 𝐸2 = = 4, 44 * 𝑓 * 𝑁2 * Φ𝑚 2 Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores nos resulta: 𝑉1 𝐸1 𝑁1 𝑉2 = 𝐸2 = 𝑁2 = 𝑚 Un transformador de tensión ideal permite obtener en su secundario una tensión que está en una relación perfectamente conocida e invariable respecto de la primaria, en tanto que uno de corriente permitirá hacer lo mismo con una intensidad. Valdrán para ellos, por lo tanto, las siguientes expresiones: 𝑉1 𝐸1 𝑁1 𝐼1 𝑁1 𝑉2 = 𝐸2 = 𝑁2 = 𝐾𝑈𝑇 ; 𝐼2 = 𝑁2 = 𝐾𝑙𝑇 Como se comprende, en una máquina real existirán apartamentos de la condición de ideal que hacen que en las ecuaciones anteriores deban reemplazarse los signos de igualdad por los de aproximadamente igual. La ley de Hopkinson nos indica que, si el flujo es constante, también debería ser constante la f.m.m. necesaria para producirlo en cualquier régimen de carga. En particular deberán ser iguales las f.m.m.s. en vacío y en carga. En vacío, como las corrientes que circulan por los devanados son I1=I0 e I2=0, resultará una f.m.m.: 𝐹 = 𝑁1 * 𝐼0 Mientras que, en carga, cuando las corriente de circulación son 𝐼1 𝑒 𝐼2 se tiene una F.m.m resultante 𝐹 = 𝑁1 * 𝐼1 − 𝑁2 * 𝐼2 El signo menos de la expresión anterior esta de acuerdo con la acción desmagnetizacion del secundario y que puede comprobar el lector aplicando la teoría de los circiotos magnéticos. Al igualar las 2 ultimas ecuaciones resulta:  𝑁1 * 𝐼0 = 𝑁1 * 𝐼1 − 𝑁2 * 𝐼2 Y deducimos lo siguiente: 𝑁2 𝐼2 ' 𝐼1 = 𝐼0 + 𝑁1 * 𝐼2 = 𝐼0 + 𝑚 = 𝐼0 + 𝐼2 Donde por un análisis previo se llegó a qué I’2 es I2/m donde m es la relación de transformación. I0 es la corriente de excitación o de vacío cuya misión es reproducir el flujo en el núcleo magnético y vencer las pérdidas en el hierro a través de sus componentes Iu y Ife. La componente de carga I’2 equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la g.m.m secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de la carga. A plena carga la corriente I’2 es aproximadamente 20 veces mayor a I0, por lo que puede despreciarse en la expresión, quedando solamente la I’2 llamada corriente secundaria reducida. 𝐼2 𝐼1 = 𝐼'2 = 𝑚 Características Constructivas Características de las chapas Las chapas utilizadas para la construcción de los núcleos tipo anillo y tipo acorazado son generalmente de acero al silicio en proporciones de 2 a 4% de este último, (para disminuir las pérdidas por histéresis y aumentar la resistividad del acero). En los casos de gran exactitud, en chapas de aleaciones de ferro níquel, de gran permeabilidad inicial. Puesto que estas últimas son muy caras, se fabrican también núcleos mixtos en los que se estratifican chapas de hierro silicio y chapas de ferroníquel. Los espesores de estas láminas varían entre 0,3 y 0,5 mm para frecuencias de 50 ciclos (disminuye las pérdidas por corrientes parásitas). Entre chapas debe haber aislación eléctrica lo que se consigue de diferentes formas: con una capa de barniz aplicado a una de sus caras, con una hoja de papel muy delgada encalado sobre una cara de la chapa, o para un material más económico, produciendo una oxidación superficial con vapor de agua. Núcleos Se denomina núcleo del transformador al sistema que forma su circuito magnético, que está constituido por las chapas de silicio antes mencionadas. El circuito magnético está compuesto por las columnas, que son las partes donde se montan los devanados, y las culatas, que son las partes que realizan la Unión entre las columnas. Los espacios entre las columnas y las culatas por los cuales pasan los devanados, se llaman ventanas del núcleo. Según sea la posición relativa entre el núcleo de los devanados, los transformadores se clasifican en acorazados, en los que los devanados están en su mayor parte abrazados o acorazados por el núcleo magnético (Fig. a), y de columnas, en los que son los devanados los que rodean casi por completo del núcleo magnético (Fig. b). Núcleo acorazado Este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión de campo. Se representa en la fig.2, en vistas. Obsérvese que las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan. Figura 2 Vista de un núcleo tipo acorazado con indicación de la longitud magnética media Núcleo de columnas Este núcleo se representa en la fig.1, indicando el corte A-1 la sección transversal que se designa con S (cm2).  Este núcleo está formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí. Para colocarlas y poder ubicar el bobinado terminado alrededor del núcleo, se construyen cortadas, colocando alternadamente una sección U con una sección I. La capa siguiente superior cambia la posición I con respecto a la U. El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese que en el núcleo anterior hay dos entrehierros en el recorrido de las fuerzas, y en el acorazado también, porque los dos laterales son atravesados por la mitad de las líneas cada uno. En el tipo acorazado las espiras quedan más sujetas, pero el tipo de columnas es de construcción más sencillo y se adapta mejor a las tensiones porque la superficie qué hay de aislarse es más reducida, por eso es por lo que se utiliza más generalmente en la práctica (Excepto en transformadores monofásicos de baja potencia y tensión). Las chapas magnéticas al unirse se denominan juntas, estas pueden cortarse para montar los núcleos a tope o bien solaparse. Con cualquiera de las dos soluciones, existen trechos en los cuales el flujo no se establece longitudinalmente, en relación con la dirección del laminado. Esto origina, en tales zonas, tratándose de chapas con grano orientado, un aumento de pérdidas (disminución del rendimiento, calentamiento). Para evitarlo, las uniones bien sean a tope o al solape, no se realizan al 90º cómo indica la figura, si no a 45°. Devanados En su función básica, lo esencial, de los arrollamientos es el número de espiras, siendo de interés secundario la forma de tales espiras y la disposición de los arrollamientos. Dos dispersiones constructivas pueden verse en la siguiente figura:  La figura (a) es la base de arrollamientos concéntricos o por capas, separados por un cilindro de material aislante. La figura (b) es la base de arrollamientos alternados constituidos por discos, galletas o bobinas. En la disposición (a), el arrollamiento de baja sale ser interior. En la (b), suelen serlo de bobinas externas. En el caso de recorrer los arrollamientos una corriente elevada (cortocircuito), se producirán esfuerzos dinámicos de consideración. En la figura siguiente se ha representado una espira circular (en trazo seguido), y, en ella, dos elementos de corriente diametralmente opuestos. Está claro que los esfuerzos F-F´ son de repulsión. Por lo tanto, si la bobina no hubiese tenido, previamente, la forma circular, por ejemplo, la forma dibujada en trazos en la figura, los esfuerzos dinámicos tenderían a dársela. Refrigeración Las pérdidas en los arrollamientos, en el núcleo, y en otros elementos, motivan el calentamiento de la máquina, que hay que limitar. Si no se hiciera la vida de los aislamientos de los devanados se vería afectada. Los principales refrigerantes que se utilizan en contacto inmediato con los arrollamientos son: El aire El aceite mineral Para potencia pequeñas la superficie externa de la máquina es suficiente para lograr la vacunación de calor necesario, lo que da lugar a los llamados transformadores en seco. Para una potencia elevada se emplea cómo medio refrigerante el aceite resultando los transformadores en baño de aceite, estos tienen una doble ventaja ya que poseen una capacidad térmica y una rigidez dieléctrica superior a la del aire. Debido a que los aceites son un derivado del petróleo, estos son inflamables, además de que se oxidan con el paso del tiempo. es por esto que se ha sustituido por otros tipos de aceite cómo el askarel y actualmente los aceites de siliconas. En sustitución de aceite se emplean líquidos incombustibles especiales llamados pyraleno, askarel. Esto establece una primera clasificación: transformadores en seco y transformadores en baño de aceite. El uso de aceite, frente al aire, está justificado por sus mejores características térmicas y eléctricas.  La parte activa del transformador va sumergida en aceite, dispuesta en un tanque o caja. La caja puede tener una superficie de refrigeración considerable, a base de construirlas de ondas, con tubos, o con radiadores adosados (eventualmente desmontables para el transporte). La caja elimina el calor, fundamentalmente por convección y por radiación. La refrigeración externa de la caja (ondas, tubos o radiadores), puede efectuarse o bien por convección natural o bien forzada. Esto último se consigue disponiendo ventiladores que activen la circulación del aire (especialmente en el caso de radiadores). Esto motiva la clasificación: transformador con refrigeración natural o transformador con refrigeración forzada. La potencia de un transformador viene limitada por un valor máximo de calentamiento admisible, se comprende que la ventilación forzada es un medio eficaz para aumentar la potencia. Formas de Construcción Según el modo como va incluido el dispositivo medidor se distinguen los siguientes tipos de construcción: Transformadores en aceite El interior del Transformador se encuentra sumergido en un fluido aislante, el que cumple la función de dar la rigidez dieléctrica y de refrigerar el Transformador. La rigidez dieléctrica no varía apreciablemente, pero se reduce mucho a consecuencia de la absorción de humedad del aire. El sistema de refrigeración puede ser ONAN (refrigeración externa Aire Natural) ó ONAF (refrigeración externa Aire Forzada, con instalación de ventiladores). En función a las características de seguridad ambiental requeridas, pueden estar sumergidos en: Aceites Dieléctricos Minerales: Con punto de inflamación aproximado de 150°C. Fluidos Dieléctricos Ecológicos (Silicona ó Envirotemp FR3): Con punto de inflamación superior a los 350°C. Transformador no protegido: Fabrica do para tensiones bajas, sin caja aislante o protectora. Transformador de cuba o protegido: El transformador es de arrollamientos y va en el interior de un recipiente de hierro que puede ser rellenado con masa sólida o con aceite, si es que no se trata de un transformador seco. Las conducciones primarias salen hacia fuera por la tapa del recipiente de hierro, a través de aisladores de porcelana. Transformador de soporte con anillos cruzados: El arrollamiento del transformador está dentro de un soporte aislador. Puede ser seco, de masa sólida, o bien de aceite. La conducción primaria se realiza a través de los bornes primarios, más grandes en la parte superior. Transformador Barra Pasante en Resina: El dispositivo transformador se halla en un aislador de paso, de porcelana o de resina. El primario es la barra pasante. El secundario está recubierto por resina. Posee bornes secundarios pequeños, a los que se conectan los instrumentos. Clasificación Clasificación primaria Ø Transformadores de medida Transformadores de intensidad. Transformadores de tensión. Transformadores de corriente continua. Clasificación secundaria Ø Transformadores de potencia. Ø Transformadores de comunicación. Ø Transformadores de medida. Ø Por los sistemas de tensiones. Monofásicos. Trifásicos – hexafásicos. Trifásicos – dodecafásicos. Trifásicos – monofásicos. Ø Según el aumento o disminución de la tensión. Transformadores elevadores. Transformadores reductores. Ø Según el medio ambiente para el que estén preparados. Tipo interior. Tipo intemperie.  Ø De acuerdo con el refrigerante que interviene. Transformadores en seco. En baño de aceite. Con pyraleno. Ø Según puedan proporcionan permanentemente su potencia nominal Transformadores con refrigeración nominal. Transformadores con refrigeración forzada. El arrollamiento con mayor tensión recibe el nombre de devanado de alta (AT). El arrollamiento de menor tensión es el devanado de baja (BT). Transformadores alta-alta Transformadores baja-baja Transformadores alta-baja Transformadores baja-alta Transformadores de Medida En la práctica de la Electrotecnia es frecuente el empleo de tensiones y corrientes elevadas que conviene medir. Sin embargo, no es posible proceder a una conexión directa de los aparatos de medida a los circuitos de A.T., debido al peligro que presentaría el personal que se acercara a los instrumentos. Los transformadores de medida permiten separar ambos circuitos, adaptando al mismo tiempo las magnitudes de la red a la de los instrumentos, que generalmente están normalizados en unos valores de 5 A para los amperímetros y 110 V para los voltímetros (a plena escala). Un transformador de medida es un tipo particular de transformador “destinado a alimentar instrumentos de medida, relés u otros aparatos similares”; como la misma definición lo trasunta, participa de todas las características generales de un transformador, pe-ro posee otras específicas, que obedecen a que se trata de un elemento de medida. Los hay de tensión y de corriente, que nosotros individualizaremos en forma abreviada como T.V. y T.I., respectivamente. Un transformador de tensión ideal permite obtener en su secundario una tensión que está en una relación perfectamente conocida e invariable respecto de la primaria, en tanto que uno de corriente permitirá hacer lo mismo con una intensidad. Valdrán para ellos, por lo tanto, las siguientes expresiones: U1/U2 = kU (7.4) y I1/I2 = kI (7.5) Como se comprende, en una máquina real existirán apartamientos de la condición de ideal que hacen que en las ecuaciones (7.4) y (7.5) deban reemplazarse los signos de igualdad por los de aproximadamente igual. En nuestro estudio de los transformadores de medida trataremos de encontrar las características distintivas de los distintos tipos que de ellos existen. Unos y otros deben garantizar el aislamiento necesario para la seguridad del personal, y además deben reproducir con la mayor precisión las magnitudes primarias (de acuerdo con la relación de transformación correspondiente), para no dar lugar a errores en las medidas efectuadas con los aparatos. Formas de conexión de los transformadores de medida Veamos ahora las formas más comunes de aplicación de estos aparatos en la figura siguiente, a la izquierda, un TV alimenta un voltímetro. Estos instrumentos se fabrican bajo normas de 110 volt, o de 100 volt, por lo que los secundarios de los TV son de esta tensión. Con este procedimiento normalizado se logra simplificar y abaratar costos. Nótese que el secundario está conectado a tierra, norma de seguridad que protege tanto al aparato como al operador. Luego tenemos un TI que alimenta a un amperímetro. Igual que los voltímetros que tienen para estos usos tensiones normalizadas, los amperímetros se construyen para 5 amperios. Por lo tanto, los secundarios de los TI se fabrican para 5 amperios. El secundario se coloca a tierra, por las mismas razones que en el TV. En la parte derecha de la figura se puede ver a un TI y un TV alimentando a un vatímetro. Por las mismas razones de normalización de valores, los vatímetros destinados a ser alimentados por transformadores de medida se fabrican de 100 ó 110 volt para su circuito voltimétrico y 5 ampere para su circuito amperimétrico. Notamos que en todos los casos la disposición se ha conectado a tierra. Como hemos dicho, esta precaución protege a los aparatos y a los operadores o personas que pudieran tocar los aparatos, paneles o pupitres en que están instalados. Cualquier falla de aislación del transformador que motive una unión eléctrica entre primario y secunda-rio, o contra el núcleo, coloca la instalación a tierra, con lo que actúan las protecciones con las que está provista la misma, salvando a la persona y evitando males mayores a la instalación.  En figura anterior, a la izquierda mostramos en más detalle al transformador y al aparato, en este caso, un voltímetro y su TV. En la parte derecha tenemos al amperímetro con su TI. En ambos casos, la carga del secundario es una impedancia inductiva. En el caso del voltímetro esta impedancia es de valor alto, por lo que los transformadores de tensión trabajan prácticamente en vacío o por lo menos, con una corriente de valor muy bajo. Inversamente, la impedancia de un amperímetro es sumamente baja, por lo que podemos afirmar que los transformadores de corriente trabajan prácticamente en corto circuito. Estas dos cualidades de funcionamiento hacen que los diseños se amolden a ellas y también, que la instalación contemple las providencias de orden práctico que son menester, como vemos en figura siguiente. En el caso de un TV el circuito del voltímetro está provisto de fusibles, para preservar al transformador al voltímetro o sus conexiones en caso de accidente. Si un transformador de tensión trabaja con fuerte intensidad en el secundario, se daña ya que esta dimensionado para trabajar con escasa intensidad de corriente En el caso del amperímetro aparece un interruptor normalmente abierto, que puede cerrarse en caso de tener que retirar el amperímetro por cualquier causa. Dado que el transformador de corriente está diseñado para trabajar permanentemente en corto circuito, si un transformador de corriente trabaja en vacío se daña por calentamiento del núcleo. Esto se debe a que por falta la corriente secundaria de reacción (corriente con magnitud igual a la del secundario que aparece teóricamente en el primario oponiéndose a la corriente en este), el flujo magnético y con este la inducción, crecen notablemente, ya que no debe olvidarse que por el primario circula la corriente a medir inde-pendientemente de si en el secundario está o no con carga. Relación de transformación para transformadores de medida La relación de espiras corresponde a un transformador ideal. Pero los transformado-res reales tienen pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas), resistencias en sus bobinados y reactancias debidos a los flujos de dispersión. Por esa causa debemos definir un conjunto de relaciones técnicas a las cuales nos habremos de referir: Se trata de relaciones teóricas, obtenidas dividiendo los números de espiras de los devanados primario y secundario, según el caso. N1*I1=N2*I2 Se trata de la relación de valores que efectivamente existen un primario y secunda-rio, trabajando en las condiciones reales con los instrumentos conectados en el secundario. También tenemos Esta última es la relación de transformación especificada en chapa de características del aparato, y que, de no conocer la relación efectiva, es la que se emplea. Potencia aparente También podemos establecer:  U2n= tensión nominal del secundario I2n= intensidad nominal del secundario Z= impedancia de carga, conectada al secundario S= potencia aparente La impedancia de carga es la del instrumento conectado al secundario o la combinación de las impedancias de todos los elementos conectados, para el caso de que el transformador de intensidad alimente más de una instrumento o aparato. La potencia aparente conocida también como prestación, se expresa en volt-ampere VA y puede tener valores del orden de 50 VA a 500VA en casos corrientes. Transformador de Tensión Un transformador de tensión es un dispositivo destinado a la alimentación de apara-tos de medición y /o protección con tensiones proporcionales a las de la red en el punto en el cual está conectado. El primario se conecta en paralelo con el circuito por controlar y el secundario se conecta en paralelo con las bobinas de tensión de los diferentes aparatos de medición y de protección que se requiere energizar.  En estos aparatos la tensión secundaria, dentro de las condiciones normales de operación, es prácticamente proporcional a la tensión primaria, aunque ligeramente desfasada. Desarrollan dos funciones: transformar la tensión y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión. Características y generalidades Un transformador de tensión inductivo (TT) consiste en un arrollamiento primario y un arrollamiento secundario dispuestos sobre un núcleo magnético común. Especificado anteriormente la conexión de los bornes del bobinado primario y secundario, se debe tener en cuenta que la tensión del primario es elegida de acuerdo con la tensión de la red que se quiere medir. Si se trata de medir la tensión entre fases, la tensión nominal primaria estará en correspondencia con la tensión compuesta, pero si se trata de medir tensión entre fases y tierra la tensión nominal primaria será 1/√3 veces la tensión compuesta. La tensión nominal secundaria de un TT depende del país donde se utilice, en Argentina está normalizado 100V, 110V, o en 200V y 220V para la aplicación en circuitos secundarios extensos, para transformadores usados entre fases. El tamaño de los TT está fundamentalmente determinado por la tensión del sistema y la aislación del arrollamiento primario que a menudo excede en volumen al arrollamiento mismo. Un TT debe estar aislado para soportar sobretensiones, incluyendo tensiones de impulso. Si se debe lograr eso con un diseño compacto, la tensión debe estar distribuida uniformemente a través del arrollamiento, lo cual requiere una distribución uniforme de la capacidad del arrollamiento o la aplicación de apantallado electrostático. Un TT convencional tiene, en la mayoría de los casos, un solo arrollamiento primario, cuya aislación presenta grandes problemas para tensiones superiores a 132 kV. Esos problemas son solucionados con los TT en cascada repartiendo la tensión primaria en varias etapas separadas. En el caso de los transformadores de cascada lo que se realiza es la reducción de la tensión en varios transformadores con sus bobinados primario conectados en serie. Cada núcleo tiene su bobinado primario repartido en lados opuestos, mientras que como arrollamiento secundario consiste en un solo bobinado colocado únicamente en la última etapa. Además, contiene un bobinado de acoplamiento conectado entre etapa, proveen a los circuitos la transferencia de Amper-vueltas y aseguran que la tensión se distribuya uniformemente entre cada arrollamiento primario.  El potencial de los núcleos y arrollamiento es fijado bajo valores predeterminados de forma tal, que la aislación es suficiente para la tensión desarrollada en ese núcleo. La aislación entre los núcleos se consigue por medio del soporte de los transformadores individuales diseñados para soportar la tensión primaria. Constitución y formas de trabajo En la figura se presenta el esquema de conexión de un transformador de tensión, la es semejante a un transformador de potencia, pero con requerimientos distintos. La idea principal es que la tensión de salida aplicada a la carga sea una réplica de la tensión de la red dentro de un rango especificado. Dado esto, la tensión en los bobinados debe ser pequeña y la densidad de flujo magnético en el núcleo debe ser establecida muy por debajo de la densidad de saturación, de modo que la corriente de excitación sea baja y la impedancia de excitación sea sustancialmente constante dentro del rango de variación de la tensión primaria que corresponda a la variación esperada, incluyendo algún grado de sobretensión. Eso implica que la relación tamaño - carga de un TT es mucho mayor que en un transformador de potencia. Por otra parte, la relación corriente de excitación - corriente de carga también resulta mayor que en un transformador de potencia. Se constituye por un arrollamiento primario, construido y aislado para los valores de tensión de la línea, y por un arrollamiento secundario a tensión reducida; ambos arrollamientos están montados en un núcleo magnético laminado de formas diversas. En las figuras siguientes se representan la constitución y forma de trabajo de un transformador de tensión, análogas a las de un transformador de potencia por lo que su comportamiento resultará mucho más sencillo que los transformadores de intensidad. En los bornes del secundario o de baja tensión vemos que se conecta el voltímetro, o la bobina voltimétrica de un vatímetro u otro elemento, con la ventaja de que estas bobinas voltimétricas pueden ser normalizadas gracias al uso de los transformadores de medida. Conexionado Estrella Triángulo A tierra Por razones de seguridad se debe conectar a tierra el borne V del arrollamiento secundario. En las mediciones en sistemas trifásicos es conveniente conectar a tierra el borne u de la fase media S y no en neutro de la conexión en estrella. De esta manera se obtiene un potencial con respecto a tierra uniforme y también se evitan ciertas dificultades en la conexión para sincronización. En un Banco de transformadores conectados en V se conecta a tierra la fase media S utilizando el borne V o el borne u del punto de Unión de los secundarios de ambos transformadores. Relaciones entre primario y secundario. Los valores de las dos tensiones (primaria y secundaria) están vinculados por la relación de transformación, y está esencialmente ligada a los números de espiras que componen los dos arrollamientos. El valor de tensión a medir se obtiene multiplicando la tensión indicada en el instrumento, por la relación de transformación. En estos aparatos la tensión secundaria, dentro de las condiciones normales de operación, es prácticamente proporcional a la tensión primaria, aunque ligeramente desfasada como lo veremos más adelante. Al ser usado, un aparato de medida, permanentemente como un transformador de tensión, su escala estará, lógicamente, graduada en tensiones del primario, es decir, las tensiones medidas estarán, realmente, multiplicadas por la relación de transformación nominal. Características propias de los transformadores de tensión Después de haber hecho el estudio general del funcionamiento de los transformado-res de tensión, vamos a citar las características propias del mismo. Se lo considera trabajando prácticamente a vacío. Esto se debe a que la impedancia de los instrumentos que se conectan en el secundario es muy grande, como lo es por ejemplo una bobina voltimétrica. Por ello la intensidad del secundario es muy pequeña, lo que nos permite considerarlo en vacío. Puede trabajar en vacío. Esto es posible porque al desaparecer la I2 desaparece la I21 y también lo hacen los flujos que ellas producen, quedando solo el flujo producido por la Im. Como el transformador fue diseñado para soportar dicho flujo, no habría inconveniente al trabajar en vacío. Variaciones relativamente considerables de la I2 no producen problemas.  Una variación en la corriente del secundario significa una variación N2/N1 veces menor en el primario. No puede trabajar en corto circuito. (Impedancia muy baja) Si esto sucede las intensidades, tanto del primario como del secundario serían muy grandes y el bobinado se quemaría por el efecto Joule y no por calentamiento magnético del núcleo. Recordemos que un bobinado preparado para trabajar en tensión se caracteriza por muchas vueltas de alambre fino. Se deben utilizar fusibles. Para evitar que el bobinado se queme cuando exista un corto circuito. Potencia de carga secundaria La potencia nominal está dada en VA y su valor se utiliza para determinar los límites de la impedancia (Z2), conectada al secundario cuya tensión nominal está normalizada en 100 V. En algunos casos se necesita conectar al secundario varios instrumentos en paralelo (voltímetro, bobinas de tensión del vatímetro y del medidor de energía, frecuencímetro, etc) y entonces es imprescindible computar la carga total resultante. Por lo general es suficiente sumar aritméticamente los VA de los instrumentos conectados en paralelo. Cuando es conocida la impedancia Z2 de la carga se calcula la potencia secundaria por: Donde U2 es la diferencia de potencial entre los bornes de salida del secundario (u-v). Este método se utiliza para determinar si la carga es o no excesiva. Cuando el valor obtenido por la suma aritmética excede el valor nominal, se debe calcular nuevamente tomando en cuenta los factores de potencia de los receptores. A continuación, se indica una tabla con el consumo de algunos aparatos alimentados por TT: Potencia límite La carga secundaria de un transformador de tensión está dada en VA, para que el transformador no origine error mayor que el determinado por su clase de exactitud. Sin embargo, considerando que el transformador de medición de tensión es en realidad un transformador de potencia que funciona casi en vacío, se debe tener en cuenta la máxima intensidad de corriente secundaria admisible, está en función de la máxima temperatura que pueden permitir los devanados. El producto de esta intensidad límite térmica, por la tensión nominal se denomina potencia límite. Esta potencia límite es un múltiplo de la potencia nominal secundaria (2 a 6 veces según sus características). Estandarización de los transformadores de medida de tensión La tensión primaria de un TT es elegida de acuerdo con la tensión de la red a la cual está destinado. Si se trata de medir la tensión entre fases, la tensión nominal primaria estará en correspondencia con la tensión compuesta, pero si se trata de medir tensión entre fase y tierra la tensión nominal primaria será 1 / raiz3 veces la tensión compuesta. La tensión nominal secundaria de un TT depende del país en el que se utilice, pero en la República Argentina se ha normalizado en 100 V, 110 V, o en 200 V y 220 V para a aplicación en circuitos secundarios extensos, para transformadores usados entre fases. Para transformadores usados entre fase y tierra, las tensiones secundarias nomina-les son aquellas divididas por 1,73. Parámetros y definiciones de los transformadores de tensión Tensión primaria nominal: Es el valor de la tensión que figura en la designación del transformador, de acuerdo con la cual se determinan sus condiciones de funcionamiento. Tensión secundaria nominal: Valor de la tensión secundaria que figura en la designación del transformador, de acuerdo con la cual se determinan sus condiciones de funcionamiento. La tensión secundaria nominal para los transformadores monofásicos utilizados en redes monofásicas o montados entre fases de redes trifásicas, es de 110 V. Para los transformadores monofásicos destinados a ser montados entre fase y tierra en las redes trifásicas, en los cuales la tensión primaria nominal es la tensión nominal de la red dividida por 3 , la tensión secundaria nominal es 110 / 3 V con el fin de conservar el valor de relación de transformación nominal. Relación de transformación real: Es el cociente entre la tensión primaria real y la tensión secundaria real. Relación de transformación nominal: Es el cociente entre la tensión primaria nominal y la tensión secundaria nominal. Error de tensión: Error que el transformador introduce en la medida de una tensión y que proviene del hecho de que la relación de transformación real no es igual a la relación de transformación nominal. A una frecuencia asignada, el error de tensión máximo admisible (FU) y el error de fase ( U) no deben exceder los valores indicados en la tabla para tensiones entre 80% y 120% de la tensión asignada y con cargas de 25% y 100% y un factor de potencia de cos = 0,8. Error de fase (válido sólo para tensiones senoidales): Es la diferencia de fase entre los vectores de las tensiones primaria y secundaria, con el sentido de los vectores elegido de forma que este ángulo sea nulo para un transformador perfecto. El error de fase se considera positivo cuando el vector de la tensión secundaria está en avance sobre el vector de la tensión primaria. Se expresa habitualmente en minutos, o en centirradianes como se vio en el punto Clase de precisión: Designación aplicada a un transformador de tensión cuyos errores permanecen dentro de los límites especificados para las condiciones de empleo especificadas. Con ella se designa el error máximo admisible que el TT puede introducir en la medición de potencia operando con su Un primaria y la frecuencia nominal. Carga: Admitancia del circuito secundario, expresada en Siemens, con indicación del factor de potencia. No obstante, la carga se expresa normalmente por la potencia aparente, en VA. Absorbida con un factor de potencia especificado y bajo la tensión secundaria nominal. Carga de precisión: Valor de la carga en la que están basadas las condiciones de precisión. Potencia de precisión: Valor de la potencia aparente en VA, con un factor de potencia especificado, que el transformador suministra al circuito secundario a la tensión secundaria nominal cuando está conectado a su carga de precisión. Los valores norma-les de la potencia de precisión para un factor de potencia de 0,8 son: 10 - 15 - 25 - 30 - 50 -75 -100 - 150 - 200 -300 - 400 - 500 VA. Los valores preferentes son los que están en cursiva. Frecuencia nominal: Valor de la frecuencia en la que serán basadas todas las especificaciones y que será de 50 Hz. Placa de características: Los transformadores de tensión deben llevar una placa de características, indeleble, en la que deben figurar, las siguientes indicaciones según norma IEC 60186. Nombre del constructor o cualquier otra marca que permita su fácil indicación. Número de serie y designación del tipo. Tensiones nominales primaria y secundaria en voltios. Frecuencia nominal en Hz.  Potencia de precisión y clase de precisión correspondiente. Tensión más elevada de la red. Nivel de aislamiento nominal. Tipos de transformadores de tensión La construcción del transformador de tensión depende de varios factores y estos transformadores se clasifican según el uso al que están destinados y según las condiciones de su trabajo. Según el uso se dividen en: transformadores de línea. transformadores de laboratorio Según el orden de la magnitud de las tensiones primarias: transformadores de alta tensión transformadores de baja tensión Según el sistema de la red: transformadores monofásicos transformadores polifásicos Los transformadores de línea se instalan en forma permanente en las redes y por consiguiente forman parte de las instalaciones de distribución de energía (medidores en alta y baja tensión). Deben ser construidos de modo que puedan soportar todos los inconvenientes que pueden aparecer en una red (sobretensiones, descargas atmosféricas, etc.). La condición más importante es la rigidez dieléctrica de los materiales aislantes capaz de asegurar la longevidad del transformador. Su exactitud requerida depende de los elementos conectados al secundario. Los transformadores de línea más frecuentemente utilizados son de clase 0,5, 1 Y 3. Los transformadores de tensión para uso en laboratorios se caracterizan por su exactitud (0,1 0 0,2) Y un gran alcance de tensión. En cambio, no exigen gran rigidez dieléctrica, ya que se los utiliza en laboratorios y no en la intemperie. Deben ser fáciles de transportar' y por lo tanto deben tener poco peso y dimensiones reducidas. Los transformadores de tensión primaria baja se utilizan poco, ya que la mayoría de los instrumentos pueden funcionar en conexi6n directa. Identificación de bornes Los bornes de los arrollamientos primario y secundario deben poder ser identificados con fiabilidad. Para ello, en la norma IEC 60185, sección 8 se indica el criterio a seguir para su nomenclatura, siendo aquellos bornes que empiecen con las letras mayúsculas A, B, C y N los de los arrollamientos primarios, y con idénticas letras, pero minúsculas a, b, c, y n los de los arrollamientos secundarios. Las letras A, B y C definen bornes terminales totalmente aislados y la letra N el borne terminal a ser conectado a tierra, siendo su aislación menor que la de los otros terminales. Las letras da y dn identifican terminales de bobinados destinados a suministrar una tensión residual. Todos los terminales identificados con A, B, C, y a, b, y c deben tener la misma polaridad en el mismo instante.  Las identificaciones son aplicables a transformadores monofásicos y también a con-juntos de ellos montados como una unidad y conectados como un transformador de tensión trifásico o a un transformador de tensión trifásico que tenga un núcleo magnético común para las tres fases. En las figuras a continuación se visualizan los diferentes casos. Condiciones de servicio Los transformadores son apropiados para su empleo bajo las siguientes condiciones de servicio, según IEC 60186. Temperatura ambiente. Temperatura máxima 40 °C Valor máximo de la media en 24 horas 30 °C Temperatura mínima. Transformadores para interiores - 5 °C Transformadores para intemperie - 25 °C Humedad relativa del aire. Transformadores para interiores hasta 70 % Transformadores para intemperie hasta 100 % Altitud. Hasta 1.000 m sobre el nivel del mar. Condiciones atmosféricas. Atmósferas que no están altamente contaminadas. Sistemas de puesta a tierra. Neutro aislado. Neutro a tierra a través de una bobina de extinción. Neutro efectivamente puesto a tierra. Los fabricantes deben ser informados si las condiciones, incluso aquellas bajo las cuales los transformadores serán transportados, difieren de las especificadas arriba. Tipos de transformadores de tensión El tipo constructivo de un TT estará fundamentalmente ligado a la aislación del bobinado de baja (donde se realiza la medida), respecto del de alta tensión (dónde se desea medir). Podemos diferenciar tres tipos de transformadores: Transformadores de Tensión Inductivos (TTI) - (hasta aprox. 500kV). Transformadores de Tensión Capacitivos (TTC) - (hasta aprox. 765kV). Transformadores de Tensión electrónicos (TTE). En la figura mostramos transformadores de medida para instalaciones de alta tensión. Como ya dijimos, el problema de los diseñadores es el valor de la tensión, ya que se debe ajustar su diseño a las distancias normalizadas. Largos aisladores de porcelana permiten mantener esta distancia. Estos aparatos son, por lo regular, para instalar en estaciones transformadoras a la intemperie. Transformadores de tensión de protección En forma análoga a lo comentado para transformadores de corriente, existen situaciones derivadas de fallas del sistema que imponen condiciones de funcionamiento que no necesariamente será capaz de cumplir un T.V. normal. Para tales situaciones se utilizarán los transformadores de tensión de protección, que son capaces de responder correctamente para valores de tensión que pueden diferir apreciablemente de la nominal, tanto en más como en menos. Las clases de transformadores de tensión de protección se individualizan agregando una letra "P" al número que las designa, en modo en un todo similar al de los T.A. En cuanto a las exigencias de error, se establecen entre el 5% de la tensión nominal y el llamado “factor nominal de tensión”, definido como el múltiplo de la tensión nominal hasta el cual el aparato cumple con las Capítulo 7 - 11 - exigencias térmicas y de error. Este factor puede ser tan alto como 1,9. En la Tabla 7.VI, tomada de la misma referencia , se presentan las exigencias de error para los T.V. de protección, válidas entre los límites de tensión más arriba expresados, y para prestaciones comprendidas entre el 25% y el 100 % de la nominal, a cosϕ = 0,8 ind. Al 2 % de la tensión nominal el error será el doble del correspondiente al 5 % de la misma. El transformador de tensión capacitivo El costo de la aislación de un transformador magnético crece más que proporcionalmente con la tensión, lo que lleva a pensar en alguna solución que resulte de interés económico cuando se plantea el problema de medir tensiones en sistemas cuya tensión nominal exceda de los 132 kV, entendiéndose por tensión nominal a la compuesta del sistema, pensado como trifásico. Una alternativa para resolver el problema la constituye el transformador de tensión capacitivo, T.V.C., que consta de un divisor de tensión capacitivo que alimenta a un transformador magnético, al que a su vez van conectados los instrumentos. El esquema general es el que se aprecia en la figura 7.7, en la que se ha respetado la notación que hasta ahora hemos usado: Diagrama fasorial Transformador de tensión ideal Para que un transformador sea considerado ideal debe respetar lo siguiente: Arroyamiento con resistencia nula Núcleo magnético sin pérdidas Dispersión nula Reluctancia nula Arroyamientos sin fenómenos capacitivos a) En vacío Un transformador en vacío ideal sería aquel que, al no tener una carga en el secundario, no le circulará corriente por dicho bobinado, por lo que: 𝑈1 =− 𝑁1 * 𝑑Φ =− 𝑁1 * 𝑑( 𝑁1*𝑖1 𝑅 ) =− 𝑒1𝑈2 = 𝑁2 * 𝑑Φ = 𝑁2 * ( 𝑑 𝑁2*𝑖2 𝑅 ) = 𝑒2 𝑈1 =− 𝑒1 = 𝑘 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑈2 𝑒2 Como el flujo depende directamente de la intensidad, y consideramos que toda impedancia es plenamente inductiva:  b) En carga Al momento de conectarle una carga circulará una intensidad por el secundario, dicha carga generará, por el arroyado secundario, un flujo magnético que se sumará algebraicamente al producido por la bobina del primario, pero si el flujo varía, variaría, a su vez, la tensión U1, pero al no poder cambiar dicho voltaje se cambia la intensidad que circula por el primario, y así variar el flujo del sistema: 𝑒2 𝑖2 𝑖1' * 𝑒1 = 𝑖2 * 𝑒2 → 𝑖1' = 𝑖2 * 𝑒1 = 𝑘 Transformador de tensión real Cuando hablamos de un transformador real tenemos que tomar en cuenta las pérdidas en el entrehierro y en los conductores. a) En vacío Al estar conectado en vacío no circulará una corriente por el secundario, pero al ser un transformador real, habrá una intensidad encargada en crear el flujo 𝐼µ (a 90° de la tensión), y otra producida por las pérdidas 𝐼𝑝 (paralela a la tensión): 𝐼0 = 𝐼𝑝 + 𝐼µ * 𝑗 Otra pérdida posible es por la dispersión del flujo magnético, ya que es imposible encausar todo el campo magnético por el entrehierro. Estas líneas de flujo se cierran por el aire y originan F.E.M. inducidas en los propios bobinados que las generan. Para anularlas es  necesario contar con una tensión igual y opuesta denominada carga inductiva o caída por dispersión, la cual se calcula como: − 𝑒𝑑1 = 𝑗 * 𝑖0 * 𝑋1 Donde 𝑋1 es la reactancia inductiva del bobinado. El diagrama quedaría: Como se puede apreciar: 𝑒1 𝑈1 𝑈1≠ − 𝑒1 𝑒2 = 𝑘≠ 𝑈2 b) En carga Al conectarle una carga al secundario comenzará a circular una intensidad, la cual, producirá, al circular por el bobinado, un flujo magnético que se sumará, algebraicamente, al flujo producido por el bobinado primario. Como en nuestro caso estamos hablando de transformadores de medida, la carga conectada será, en todos los casos, inductiva y resistiva. Donde, respetando la segunda ley de Kirchhoff, la suma de las diferencias de potencial dentro de una misma malla es igual a 0, por lo que:  − 𝑒1 = 𝑈1 + (𝑖1 * 𝑅1 + 𝑗 * 𝑖1 * 𝑋1) 𝑒2 = 𝑈2 + (𝑖2 * 𝑅2 + 𝑗 * 𝑖2 * 𝑋2) Donde: 𝑅1 𝑦 𝑅2 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎 1 𝑦 2𝑋1 𝑦 𝑋2 = 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 Errores Error de relación El error de tensión o de relación δ𝑢, del transformador de tensión es la diferencia entre el valor eficaz de la tensión secundaria, multiplicado por la relación nominal de transformación, y el valor eficaz de la tensión primaria. Por lo general, este error se expresa como el error relativo en un tanto por ciento de la tensión primaria. 𝑁1 𝑘𝑢 = 𝑁2 ∆𝑈 = 𝑈2 * 𝑘𝑢 − 𝑈1 Δ𝑈 δ𝑢 = 𝑈1 * 100% Error angular El error angular δ𝑎 del transformador de tensión es el ángulo en que está desfasado el vector de la tensión secundaria U₂, invertido, con respecto al vector de la tensión primaria U₁. El comportamiento del transformador de tensión es similar al de un transformador ideal en vacío, debido a las impedancias muy altas de la carga secundaria. Sin embargo, las pérdidas en el núcleo y en el cobre de los arrollamientos originan el desfase entre las tensiones. El vector de la corriente secundaria I2, se retrasa con respecto al vector de la fuerza electromotriz secundaria E2, debido a la inductancia del circuito secundario (arrollamiento más carga) X₂. En consecuencia, el vector de la tensión secundaria U2 se adelanta con respecto al vector I2, pero se atrasa con respecto al vector E2. Como se puede apreciar el error angular en un transformador de tensión depende de la carga secundaria y, por ende, del ángulo de desfase entre U2 e I2, o sea del tipo de impedancia conectada al secundario (Z2). Para corregir este error se utiliza el “factor de corrección” que está dado por: 𝑘𝑢.𝑛𝑜𝑚 𝑘𝑢.𝑟𝑒𝑎𝑙 A continuación, para un mejor entendimiento, se presenta un ejemplo considerando |U1|=|U2| y |I1|=|I2|.  Transformadores de intensidad El transformador de corriente o intensidad se utiliza para obtener una corriente menor pero proporcional a la que discurre por una línea de alimentación. Las corrientes industriales a menudo son demasiado grandes para pasar directamente a través de los aparatos de medición. Los transformadores corrientes permiten que estas altas intensidades se reduzcan a valores aceptables para la mayoría de los dispositivos, generalmente o menos de 5 amperios. Además, el transformador de corriente garantiza un buen aislamiento galvánico entre su primario (alta corriente) y su secundario donde estarán los equipos de medida o protección. Tipos de Transformadores de Corriente Según la función realizada por el transformador de corriente, se puede clasificar de la siguiente manera: Transformadores de Intensidad Medidores: estos transformadores se usan junto con los dispositivos o instrumentos de medición para la medición de corriente, energía y potencia (amperímetro, contador, vatímetro, etc). Transformadores de Intensidad Protectores: Estos transformadores de corriente se utilizan junto con los equipos de protección, tales como bobinas de disparo, relés, etc. Las intensidades de salida se utilizan como entradas a los relés de protección, que aislarán automáticamente parte de un circuito de alimentación en caso de una condición anormal o defectuosa en el mismo, pero permitiendo que otras partes de la planta continúen en funcionamiento. Al hacer esto, el transformador de corriente de protección permite que las áreas no afectadas del circuito continúen en funcionamiento. Muchos de los transformadores de intensidad instalados se utilizan para los dos casos, para medida y para conectar elementos de protección. Veamos las partes de un transformador de corriente para una subestación utilizado para conectar elementos de protección y de medición: Esquema de Conexión de un Transformador de Corriente El esquema básico de un transformador de intensidad es el que podemos ver a continuación:  De hecho, a veces también se le suele llamar "Transformador en Serie". También es importante saber que el primario tiene que poseer pocas espiras de hilo grueso para no producir caída de tensión en la línea, ya que, al estar en serie, un hilo o cable fino y de muchas espiras tendría mucha resistencia y provocaría una caída de tensión en la línea, cosa que no es deseable. Al construirse así el devanado primario y conectarse en serie con la línea, provoca que entre los bornes P1 y P2 no exista casi diferencia de potencial o tensión, solo la producida por la pequeña caída de tensión del devanado primario. Además, como medida de precaución el devanado secundario debe conectarse siempre a tierra. Luego veremos más características propias de este tipo de transformadores. Es practica universal utilizar un transformador de corriente por fase, tres transformadores de corriente para un sistema trifásico, en este caso los secundarios se conectan en estrella con el nutro sólidamente a tierra, tal como se ilustra en la siguiente figura. Si el circuito de potencia es un circuito de 3 hilos sin hilo neutro, la suma instantánea de las tres corrientes de línea que circulan por los primarios hacia la carga, y, por lo tanto, la suma de las corrientes del secundario también debe ser nula si los tres transformadores son iguales. En consecuencia, puede suprimirse la conexión entre el neutro de los secundarios conectados en estrella y el de los amperímetros, señalada en la figura con línea de trazos. En cambio, esta conexión es necesaria cuando el circuito tiene un hilo neutro. También se puede utilizar la siguiente conexión de la siguiente figura  Los amperímetros Aa y Ac estén directamente en serie con los dos transformadores de corriente, y por lo tanto, indican las intensidades de las corrientes que circulan por las líneas A y C. La primera ley de Kirchoff aplicada al nudo n, da como relación entre las corrientes de los secundarios. ia+ ib+ ic= 0 Como ia e ic son proporcionales a las intensidades de las corrientes de línea de los primarios iA e iC respectivamente, la intensidad ib que señala el amperímetro Ab es proporcional también a la intensidad iB de la corriente del primario si es nula la suma de intensidades de las corrientes de primario, como debe ocurrir si el circuito de potencia es un circuito de 3 hilos. Conexionado a tierra Los arrollamientos secundarios de los transformadores de medición se conectan a tierra. Una de las finalidades de esta conexión es la seguridad de los instrumentos y del personal, debido a que, en el caso de ocasionarse una comunicación de alta tensión del arrollamiento primario con el arrollamiento secundario, se puede producir una peligrosa acción en el circuito de medición conectado al secundario. La otra finalidad de esta conexión es evitar que se originen diferentes potenciales en varios elementos de medición conectados con respecto a tierra. Además, puede aparecer acoplamientos capacitivos indeterminados que pueden ocasionar errores adicionales. Principio de Funcionamiento Transformador de Intensidad El principio básico del transformador de corriente es el mismo que el del transformador de tensión o potencia. Al igual que el transformador de potencia, el transformador de corriente también contiene un devanado primario y uno secundario. Cada vez que una corriente alterna fluye a través del devanado primario, se produce un flujo magnético alterno, que luego induce una corriente alterna en el devanado secundario.  En el caso de transformadores de corriente, la impedancia de salida o simplemente "carga de salida" es muy pequeña ya que solo se conecta al trafo los aparatos de medida o los de protección. Por lo tanto, el transformador de corriente funciona prácticamente en condiciones de cortocircuito. Además, la corriente en el devanado secundario no depende de la impedancia de la carga, sino que depende de la corriente que fluye en el devanado primario, es decir de la corriente de la línea. El devanado primario del transformador está conectado en serie con la línea y transporta la corriente real que fluye hacia la carga conectada al final de la línea, mientras que el devanado secundario está conectado a un dispositivo de medición o un relé. El número de vueltas secundarias es proporcional a la corriente que fluye a través del primario; es decir, cuanto mayor es la magnitud de la corriente que fluye a través del primario, mayor es el número de vueltas secundarias. Cálculos en Los Trasformadores de Corriente En estos transformadores siempre se cumple que el número de espiras del primario es menor que el del secundario, condición necesaria para que se reduzca la intensidad en el secundario o salida del transformador. Lógicamente necesitamos que la Intensidad del secundario sea menor que la del primario, y conociendo la relación de transformación tenemos que: Características de los Transformadores de Corriente Las características fundamentales de estos transformadores son: El devanado primario se conecta en serie con el circuito, mientras que en los transformadores de potencia y de tensión están conectados en paralelo. La intensidad secundaria está normalizada en 5 A, solo en casos en los que la distancia entre el transformador y el aparato de medida sea muy grande se usan intensidades secundarias de 1 A. Los valores estandarizados para la intensidad del devanado primario son los siguientes: 5, 10, 15, 25, 30, 75, 100, 150, 1 500, 2 000, 3 000, 4 000, 6 000 y 10 000 A. El devanado secundario se conecta a tierra según la normativa de seguridad, así se evita la aparición de tensiones peligrosas en caso de un fallo de aislamiento entre primario y secundario. Los instrumentos de medida no deben sobrepasar la potencia nominal del transformador (5, 10, 15, 30, 50, 75 ó 100 VA). Recuerda VA son Voltamperios, unidad de medida de la potencia aparente (S).  Entre los bornes P1 y P2 no existe tensión elevada ni constante, como sucede en los de potencia y tensión (tensión de red). La tensión primaria será la caída de tensión que produce el bobinado primario de la línea principal. ¡¡¡¡OJO!!! Es totalmente improcedente dejar el secundario a circuito abierto, ya que por el primario circula la corriente de la red y toda esa corriente sería de excitación, sin existir corriente secundaria que la contrarrestase. Esto puede dar lugar a tensiones secundarias peligrosas. Desconexión del Secundario Antes de desconectar los aparatos conectados al secundario del trafo de intensidad, por ejemplo, el amaperímetro, habrá que cerrar en cortocircuito los bornes del secundario S1 y S2 del trafo con un cable. Después se desconecta el amperímetro y se mantendrá el cortocircuito con el conductor entre los bornes de salida S1 y S2. Tipos de transformadores de corriente La construcción del transformador de intensidad depende de varios factores y estos transformadores se clasifican según el uso al que están destinados y según las condiciones de su trabajo. Según el uso se dividen en: Transformadores de línea. Transformadores de laboratorio Según el orden de la magnitud de las tensiones primarias: Transformadores de alta tensión Transformadores de baja tensión Según su construcción básica: Transformadores de barra pasante  Transformadores con el bobinado primario y secundario colocados Trasformadores de Corriente de Barra Pasante El devanado primario lo constituye el propio conductor, pletina o cable que transporta la corriente objeto de medida. El propio cable de la línea es el devanado del primario del transformador, permitiendo efectuar la conexión de la instalación en sus terminales sin necesidad de abrir los conductores. Normalmente el cable suele ser una pletina, por ejemplo en los transformadores de tensión de un centro de transformación o subestación ya que lleva mucha intensidad. Cambiar la Relación de Transformación Se pueden lograr cambios relativamente grandes en la relación de vueltas de un transformador de corriente modificando las vueltas en el primario, donde una vuelta primaria es igual a un paso y más de un paso a través de la ventana da como resultado que se modifique la relación eléctrica. Entonces, por ejemplo, un transformador de corriente con una relación de, digamos, 300/5A se puede convertir a otro de 150/5A o incluso 100/5A pasando el conductor primario principal a través de su ventana interior dos o tres veces como se muestra. Factor de sobrecarga Antes de hablar del factor de sobrecarga en si es necesario establecer el contexto del porque es tan importante este. Es importante responder a la pregunta de: ¿Cuál es la función del transformador?, si este alimenta dispositivos de medición, son muy importantes sus características en estado permanente, en el campo de la corriente nominal. Si en cambio el transformador alimenta dispositivos de protección es importante su comportamiento transitorio, su comportamiento en el rango de sobrecorrientes que se presentan en fallas, (Las normas han fijado el valor de sobrecorriente representativa de estas situaciones en 20 veces la corriente nominal). Cuando se presentan estas sobrecorrientes el transformador debe actuar en forma distinta según cual sea la función, puede ser interesante que el transformador se sature bajo efectos de la sobrecorriente, de manera de proteger los instrumentos que se encuentran alimentados por él, en este caso se falsea la medición, lógicamente esta característica es indeseada si se alimentan protecciones. Surge entonces un concepto, un transformador de medición debe saturar cuando se presentan sobrecorrientes, y uno de protección en cambio debe reflejar correctamente la corriente, no saturarse con valores de varias veces la corriente nominal. En el estado actual de la técnica, todavía los transformadores son con núcleo magnético, y tienen características ligadas esencialmente a las características del hierro. El circuito equivalente del transformador de corriente es en esencia el mismo que se estudia para el transformador de potencia, pero debe notarse que el transformador de corriente trabaja con inducción variable (con la corriente que por el circula, en otras palabras, la tensión entre bornes es variable). La precisión del transformador está ligada a la menor corriente derivada por el brazo de excitación, cuando por el aumento de corriente se supera el codo de saturación la precisión cae, el transformador se satura. Si se varia la carga aumentándola, más impedancia, se alcanzara la tensión de saturación con menor corriente, y viceversa. Surgen entonces algunos conceptos muy importantes en la aplicación de los transformadores de corriente, si estos están destinados a la medición deben estar cargados lo justo, si están menos cargados que su prestación no saturara en forma que se espera, si están más cargados perderán precisión. Para un núcleo de protección en cambio sí se carga menos se extenderá su campo de acción en el que la saturación no se nota. Las normas definen en consecuencia las características que tienen relación con estas condiciones de funcionamiento.  Factor de seguridad para los núcleos de medida es la relación entre la corriente nominal de seguridad y la corriente nominal primaria. La corriente nominal de seguridad es el valor de la corriente primaria (indicado por el fabricante) para el cual la corriente secundaria (multiplicada por la relación de transformación) es inferior en cierto porcentaje (10%) al valor eficaz de la corriente primaria. Si de algún modo se supera la corriente nominal en un intervalo de tiempo la temperatura aumentará pudiendo provocar así daños en el transformador. Pero además de esto se pueden dañar por sobrecarga los dispositivos conectados en el secundario. La pregunta natural es: ¿cuánto es importante esta característica? Según que aparatos estén conectados al secundario del transformador de medición será más o menos importante su saturación, y consiguiente limitación de la corriente, si los aparatos de medición son resistentes a elevadas sobrecargas (sobrecorrientes), o están realizados para soportarlas sin dañarse, esta característica no es importante en absoluto. Cuando en cambio debe cuidarse la integridad de los dispositivos de medición, y en particular delicados registradores de diseños más bien antiguos, se hace indispensable lograr la correcta saturación del transformador de corriente. Con esta premisa se comprende que esta característica actualmente, con instrumental de medición moderno con gran capacidad de sobrecarga ha perdido importancia. Cuando se desean hacer mediciones de corrientes transitorias (por ejemplo, inserciones de transformadores de potencia, o durante cortocircuitos) será importante que el error en el rango de corrientes elevadas no sea grande, y entonces no es correcto conectarse a un transformador de medición que se satura, y falsea la medida. Factor límite de precisión es el valor más elevado de la corriente primaria a la cual el transformador debe satisfacer las prescripciones correspondientes al error compuesto. Las características eléctricas principales del transformador de corriente son: La relación de transformación, que debe elegirse entre valores normales. La prestación, potencia en VA que el aparato puede alimentar con su corriente nominal, y a la que se refieren otras características. Tensión nominal, aislacion. Sobrecorriente permanente. Sobrecorriente térmica. Resistencia electrodinamica. Puede ser necesario que el transformador tenga varias relaciones de transformación, esto puede lograrse por cambio de conexión en el primario, o por derivaciones adecuadas en el secundario, y la solución adoptada afecta la forma del arrollamiento y sus características de saturación. La forma de los transformadores puede ser con varias espiras primarias o de barra pasante, una sola espira primaria. Otras características tienen que ver con la saturación, el comportamiento magnético del transformador, sus corrientes límites de precisión. Al variar la carga del transformador varia su límite de precisión, o su punto de saturación. En la evaluación de la carga intervienen los cables y los instrumentos. Por su función los transformadores (sus núcleos) se clasifican en medición y protección.  Aparatos de medida: Destinados a medir corrientes normales sin que, ante valores anormales, tenga que provocar alguna respuesta. Por su naturaleza los aparatos de medida no suelen soportar valores muy grandes de intensidad ni miden magnitudes anormalmente elevadas. Por tanto, el transformador que los alimente ante valores anormalmente grandes de corriente en el primario ha de ser capaz de aumentar el error de relación, esto es que la corriente en el secundario no aumente en la misma proporción que en el primario (kcc