Debido a que no existe una manera fácil de medir los altos voltajes y corrientes asociados con los sistemas de transmisión y distribución de energía, a menudo se utilizan transformadores de potencial para reducir y medir estos valores a niveles más seguros. Esto se debe a que los instrumentos de medición y los relés de protección son dispositivos de bajo voltaje que no se pueden conectar directamente a circuitos de alto voltaje para fines de medición o protección del sistema.
Además de reducir los niveles de voltaje y corriente, estos transformadores separan los circuitos de medición o protección de los circuitos principales que operan a altos niveles de potencia.
Los transformadores de corriente reducen el nivel de corriente al rango operativo de equipos o relés, mientras que los transformadores de potencial convierten altos voltajes en circuitos que operan a voltajes más bajos. Este artículo le brindará más información sobre los transformadores.
Tabla de contenido
¿Qué es un transformador de instrumentos?
Un transformador de instrumentos es un transformador reductor que reduce el voltaje de un circuito de alto voltaje a un nivel más bajo para su medición. Estos están conectados en ambos extremos de la línea que se está monitoreando o en paralelo.
Los principios básicos de funcionamiento y construcción de este transformador son similares a los de los transformadores de potencia estándar. El transformador de potencial suele abreviarse como PT.
El devanado primario consta de varios devanados y está conectado al lado de alta tensión o a la línea donde se toman las medidas o es necesario proteger. El devanado secundario tiene una pequeña cantidad de vueltas y está conectado a las bobinas potenciales de voltímetros, vatímetros y medidores de energía, relés y otros dispositivos de control. Se trata de transformadores monofásicos o trifásicos. Independientemente de la tensión nominal primaria, están diseñados para una tensión de salida secundaria de 110 V.
Dado que los voltímetros y las bobinas de potencial de otros instrumentos tienen alta impedancia, una pequeña corriente fluye a través del lado secundario del PT. Por lo tanto, el PT se comporta como un transformador normal de dos devanados que funciona sin carga. Debido a la baja carga (tensión) del PT, la clasificación de VA del PT es baja, oscilando entre 50 y 200 VA. En el lado secundario, un extremo está conectado a tierra por razones de seguridad, como se muestra en la figura.
Como ocurre con un transformador normal, la relación de transformación se especifica como:
V1/V2 = N1/N2
A partir de la ecuación anterior, si conoce la lectura del voltímetro y la relación de transformación, puede encontrar el voltaje en el lado de alto voltaje.
construcción
En comparación con los transformadores tradicionales, los transformadores o PT utilizan núcleos y tamaños de conductores más grandes. Dado que PT está diseñado para garantizar una mayor precisión, la economía de materiales no se considera un factor importante durante el diseño.
El PT está fabricado con un núcleo especial de alta calidad que funciona con una densidad de flujo magnético más baja para reducir la corriente magnetizante y minimizar las pérdidas de carga. Para PT se prefieren tanto las estructuras de tipo núcleo como las de tipo carcasa. Para voltajes altos se utiliza el tipo de núcleo PT, mientras que para voltajes bajos se recomienda el tipo de carcasa.
Se utilizan devanados coaxiales tanto en el lado primario como en el secundario para reducir la reactancia de fuga. Se coloca un devanado secundario de bajo voltaje al lado del núcleo para reducir los costos de aislamiento. Además, para PT de alto voltaje, el primario de alto voltaje se divide en secciones de la bobina, lo que reduce el aislamiento entre las capas de la bobina. Para estos devanados se utiliza batista bruñida y cinta de algodón como laminado. Se utiliza un separador de fibras duras entre las bobinas.
Están cuidadosamente diseñados para minimizar el cambio de fase entre los voltajes de entrada y salida y para mantener una relación de voltaje mínima a medida que cambia la carga. El PT lleno de aceite se utiliza para niveles de alto voltaje (rango de 7 KV y superior). Estos PT proporcionan casquillos llenos de aceite para conectar las líneas principales.
Tipo de voltaje o transformador
Estos se clasifican ampliamente en transformadores de exterior y transformadores de interior.
1.Transformador exterior
Se trata de transformadores monofásicos o trifásicos con diferentes rangos de tensión de funcionamiento utilizados para aplicaciones de medición y relés en exteriores. Transformadores magnéticos monofásicos y trifásicos hasta 33KV. Existen dos tipos de transformadores de exterior monofásicos por encima de 33KV: transformadores electromagnéticos y transformadores capacitivos (CVT).
Transformador de potencial convencional electromagnético o bobinado
Son similares a los transformadores de devanado tradicionales llenos de aceite. La siguiente figura muestra un PT electromagnético con un tanque de grifo conectado al terminal de agua. El depósito está provisto de un tapón para el llenado de aceite y este depósito está montado sobre un soporte aislante.
En la base se proporcionan un terminal de tierra y un tapón de drenaje de aceite. En este caso, el primario está conectado entre dos fases o entre una fase y tierra. Entonces, un extremo del primario se conecta a la red eléctrica en la parte superior y el otro extremo se saca desde abajo y se conecta a tierra con otro terminal de tierra.
Los terminales secundarios, incluido el terminal de tierra, están ubicados en la caja de terminales inferior y además están conectados al circuito de medición y al circuito de relé. Se utilizan para tensiones de trabajo inferiores a 132 KV desde el punto de vista del aislamiento.
transformador capacitivo (CVT)
transformador capacitivo (CVT)Se trata de un divisor de tensión capacitivo conectado entre la fase de red y tierra. Estos son CVT de tipo condensador de acoplamiento o casquillo. Estos dos tipos son eléctricamente más o menos similares, la diferencia es que la formación de capacitancia determina además la carga nominal (o carga).
El tipo de condensador de acoplamiento consiste en una pila de condensadores de papel impregnado de aceite y lámina de aluminio conectados en serie. Los terminales primario y secundario están conectados a través del capacitor para obtener los voltajes primario y secundario requeridos.
La CVT tipo casquillo utiliza un casquillo tipo condensador roscado. CVT también se utiliza en comunicaciones por líneas eléctricas, lo que la hace más económica.
2.Transformador interior
También están disponibles como PT monofásico o trifásico de tipo magnético moldeado. El mecanismo de montaje puede ser de tipo fijo o extraíble. En este tipo de PT, todas las partes del devanado primario están aisladas de tierra con la capacidad de aislamiento nominal. Están diseñados para operar relés, medidores y otros equipos de control con alta precisión en servicios interiores.
Según su función, los PT o transformadores se clasifican en transformadores de medida y transformadores de protección.
error del transformador
En un transformador ideal, el voltaje producido en el devanado secundario es exactamente proporcional al voltaje primario y exactamente en antifase. Sin embargo, en PT real este no es el caso debido a la presencia de caídas de voltaje en las resistencias primaria y secundaria y al factor de potencia de la carga en el lado secundario. Esto provoca errores de relación y errores de ángulo de fase en el transformador. Por favor háganoslo saber en detalle.
Considere el diagrama fasor del transformador de medición que se muestra arriba.
dónde
Io = corriente sin carga
Im = componente de excitación de la corriente sin carga
Iu = componente vatio de la corriente sin carga
Es y Ep = tensión inducida en los devanados secundario y primario, respectivamente
Np y Ns = número de vueltas del devanado primario y secundario, respectivamente
Ip e Is = corrientes primarias y secundarias
Rp y Rs = resistencia de los devanados primario y secundario respectivamente
Xp y Xs = reactancia de los devanados primario y secundario respectivamente
β = error del ángulo de fase
El voltaje inducido primario o EMF Ep se obtiene restando la resistencia primaria (IpRp) y la caída reactiva (IpXp) del voltaje primario Vp. Además, el voltaje del terminal secundario Vs se puede encontrar restando vectorialmente la caída de resistencia del devanado secundario (IsRs) y la caída de reactancia (IsXs) de la fuerza electromotriz inducida secundaria Es. Estas caídas causan errores de relación porque la relación nominal del transformador no es igual a la relación real del PT.
error de relación
El error de relación del transformador se define como la variación de la relación de conversión real respecto de la relación nominal.
Error de relación porcentual = (Kn – R) / R × 100
dónde
Kn es el índice de conversión nominal o nominal;
Kn = Tensión primaria nominal / Tensión secundaria nominal
error de ángulo de fase
En un PT ideal, no debería haber ningún ángulo de fase entre los voltajes primario y secundario inverso. Sin embargo, en realidad (como puede ver en el diagrama anterior) existe una diferencia de fase opuesta entre Vp y Vs, lo que crea un error de ángulo de fase. Se define como la diferencia de fase entre el voltaje primario y el voltaje secundario opuesto.
Para reducir estos errores y mejorar la precisión, diseñe el transformador de modo que la resistencia interna y la reactancia de los devanados tengan el tamaño adecuado. Además de esto, el núcleo debe minimizar los componentes de magnetización y pérdida del núcleo de la corriente de excitación.
Aplicaciones de transformadores
- sistema de medición eléctrica
- sistema de protección eléctrica
- Protección de distancia del alimentador
- Sincronización de generador y red.
- Protección de impedancia del generador
La clase de transformadores de medida utilizados para la medición se denomina tensión de medida o transformadores de medida. Por otro lado, los PT utilizados para protección se denominan transformadores de protección. En algunos casos, el PT se puede utilizar tanto para fines de medición como de protección. En tales casos, un devanado secundario se conecta a la medición y el otro devanado secundario se utiliza como protección.