Análisis de Saturación y Cargabilidad de los Transformadores de Corriente para el Diseño de Subestaciones

TT/CC

Transformador de Corriente en Subestaciones Eléctricas

El transformador de corriente en subestaciones eléctricas, (TT/CC) es un equipo que se conecta en serie al sistema eléctrico, para convertir la medida de corriente primaria a un nivel más pequeño, a una razón de transformación específica, con el fin de proporcionar la medida de corriente a los equipos secundarios como las protecciones, medidores de energía, controladores de bahía, etc.

Los TT/CC’s deben ser especificados según las condiciones del proyecto y las exigencias normativas de cada país. Una norma internacional que entrega las directrices de cómo especificar los transformadores y sus requerimientos, es la norma IEC 61869-2.

Norma IEC 61869-2

La norma IEC 61869-2, se aplica a los transformadores de corriente inductivos de nueva fabricación para uso con instrumentos de medida eléctrica y/o dispositivos eléctricos de protección, de frecuencia nominal comprendida entre 15 Hz y 100 Hz.

Esta norma nos indica la forma en la que se debe especificar un transformador de corriente y cómo debe de funcionar en condiciones normales de servicio y en condiciones de falla.

Recordemos que los transformadores de corriente, cuentan con núcleos de corriente secundario y dependiendo de su uso, se clasifican en núcleos de medida o núcleos de protección.

Núcleo de Medida de un Transformador de Corriente

Los núcleos de medida, se utilizan específicamente para equipos que realicen mediciones como lo es un equipo controlador o un medidor de facturación, entre otros. La característica de estos núcleos es su rápida saturación frente a fallas, ya que están diseñados para censar constantemente el circuito eléctrico asociado a su instalación, en un régimen permanente de trabajo y no en situaciones de falla.

La norma IEC 61869-2 específica los límites del error de corriente y del desfase de los transformadores de corriente para núcleos de medida. Los núcleos de medida tienen 3 datos que deben de ser especificados.  Se debe de especificar su Clase de Precisión, su Factor de Seguridad y su Burden.

  • Clase de Presición

Según la norma IEC 61869-2, la “Clase de Presición” se designa por: 0,1 – 0,2 – 0,2S – 0,5 – 0,5S – 1 – 3 – 5.

En las siguientes tablas se observa los límites de error para cada una de las clases de precisión de los núcleos de medida según la IEC 61869-2.

Las clases de precisión dependerán de la aplicación en la que se utilizará el TTCC. Esta es una reseña de los usos según su clase:

1.- Clase 0,1 – Laboratorio.
2.- Clase 0,2 – Laboratorio, patrones portátiles, contadores de gran precisión, medidores de facturación.
3.- Clase 0,5 – Contadores normales y aparatos de medida.
4.- Clase 1 – Aparatos de visualización.
5.- Clase 3 – Para usos en los que no se requiere una mayor precisión.

  • Factor de Seguridad

Indica la sobrecorriente como un múltiplo de la corriente nominal para la cual el núcleo de medida alcanzará el punto de saturación. Por lo tanto, limita la corriente secundaria a 𝐹𝑆veces la corriente nominal. En consecuencia, la seguridad del equipo de medición es mayor cuando el valor de 𝐹𝑆 es pequeño. Los valores típicos del factor de seguridad son 5 o 10.

El Factor de Seguridad es un valor máximo y solo válido a la carga nominal. Para cargas más bajas que la nominal, el factor de saturación incrementa de acuerdo a una relación entre la carga nominal, la resistencia interna, la corriente secundaria del TTCC y el factor de seguridad.

Donde 𝑆𝑛 es la carga nominal en VA, 𝑆 indica el burden actual para el cual se desea conocer el 𝐹𝑆, 𝐼𝑠𝑛 es el valor de la corriente secundaria nominal en A, 𝑅𝑐𝑡 es la resistencia interna en ohmios del devanado referida a 75 °C y 𝐹𝑆𝑎 es el factor de seguridad asociado a la potencia actual.

  • Burden Nominal

El Burden nominal o potencia nominal, es la potencia ajustada para la corriente secundaria nominal e indicada en la placa de características del transformador. La carga se puede determinar por medio de la suma de cada una de las potencias de los dispositivos conectados más las perdidas en los conductores por efecto Joule. Sin embargo, las designaciones de carga dependen de la norma de diseño del transformador, en IEC 61869-2, se especifica directamente el valor de la potencia en VA mientras que en IEEE se da el valor del burden en Ohmios.

Los valores indicados en la IEC 61869-2,  para especificar un TTCC son: 2,5 – 5 – 10 – 15 y 30 VA.

Núcleo de Protección de un Transformador de Corriente

Los núcleos de protección, a diferencia de los núcleos de medida, están diseñados para no saturarse (idealmente). La idea es que estos equipos no se saturen frente a fallas, ya que estas medidas están siendo censadas y analizadas por los sistemas de protección, los cuales tienen que funcionar en relación a la programación que se le ha dado, la cual, a su vez depende del propio sistema eléctrico. Debemos recordar que las parametrizaciones de protecciones son de acuerdo a estudios eléctricos que dependen de las condiciones y topología del sistema eléctrico del país, por ende, el sistema eléctrico mismo, influye en el funcionamiento de un TTCC frente a condiciones de falla.

Los núcleos de protección se especifican según su Clase de Protección, Factor Límite de Seguridad (ALF) y Burden.

  • Clase de Protección

Estas clases tienen características específicas, que dependen justamente de las necesidades del proyecto. En la siguiente tabla se aprecian las características de las clases de protección de los transformadores de corriente según la IEC 61869-2.

La norma IEC 61869-2 no establece condiciones de cumplimiento para errores de corriente en los núcleos de protección basado en la carga conectada, solamente se refiere a los errores de corriente y desplazamiento de fase con respecto a la precisión del núcleo.

  • Factor límite de Presición

La tensión de saturación está dada por el 𝐴𝐿𝐹 que indica la sobrecorriente como un múltiplo de la corriente nominal primaria hasta la cual se cumple la precisión nominal con la carga nominal conectada. Se da como un valor mínimo. También se puede definir como la relación entre la tensión de saturación y la tensión correspondiente a la corriente nominal secundaria. El burden secundario afecta directamente el 𝐴𝐿𝐹.

De la misma manera que para los núcleos de medida, el factor de sobrecorriente cambia con las variaciones de carga del núcleo de protección.

Donde 𝑆𝑛 es la carga nominal en VA, 𝑆 es el burden actual para el cual se desea conocer el 𝐴𝐿𝐹, 𝐼𝑠𝑛 indica el valor de la corriente secundaria nominal en A, 𝑅𝑐𝑡 es la resistencia interna en ohmios del devanado referida a 75 °C y 𝐴𝐿𝐹𝑎 es el factor límite de precisión asociado a la potencia actual.

  • Burden Nominal

El Burden nominal o potencia nominal, es la potencia ajustada para la corriente secundaria nominal e indicada en la placa de características del transformador. La carga se puede determinar por medio de la suma de cada una de las potencias de los dispositivos conectados más las perdidas en los conductores por efecto Joule. Las designaciones de carga dependen de la norma de diseño del transformador, en IEC 61869-2, se especifica directamente el valor de la potencia en VA mientras que en IEEE se da el valor del burden en Ohmios.

Los valores indicados en la IEC 61869-2,  para especificar un TTCC son: 2,5 – 5 – 10 – 15 y 30 VA.

Límites de Error de un Transformador de Corriente

Cómo se apreció anteriormente, limites de los errores de los transformadores de corriente dependen de la carga conectada. Está carga conectada debe cumplir ciertos criterios que se mencionan en la IEC 61869-2, en el punto 5.6.201.3 “Límites del error de corriente y del desfase de los transformadores de corriente para medida” que se muestra a continuación:

Básicamente, para clases 0,1 – 0,2 – 0,2S – 0,5 – 0,5S – 1, el error de corriente y el desfase a la frecuencia asignada no deben exceder los valores mostrados en las tablas 201 y 202, cuando la carga secundaria es un valor entre el 25% hasta el 100% de la carga nominal. Para las clases de precisión 3 – 5 el error de corriente y el desfase a la frecuencia asignada no deben exceder los valores mostrado en la tabla 203, cuando la carga secundaria es un valor entre el 50% hasta el 100% de la carga nominal.

Como se mencionó anteriormente, la norma IEC 61869-2 no establece condiciones de cumplimiento para errores de corriente en los núcleos de protección basado en la carga conectada, solamente se refiere a los errores de corriente y desplazamiento de fase con respecto a la precisión del núcleo. De igual manera, en el análisis de saturación del transformador de corriente, el valor de la carga conectada es considerada para dicho análisis, por ende, la carga es un factor que afecta a la saturación del equipo y se incluye en los análisis de saturación del TTCC en régimen permanente y transitorio.

Análisis de Saturación de un Transformador de Corriente

El análisis de saturación de un TTCC es un estudio eléctrico que indica si el transformador en condiciones de falla se saturará o no. Esto es muy importante, ya que aún cuando las especificaciones estén correctas, puede ser que en el análisis de saturación, esos valores no sean suficientes para que el equipo no se sature. De ahí la importancia de este estudio en los transformadores, en una etapa previa de la compra de los equipos.

Cuando ocurre una falla en el sistema eléctrico, la corriente de cortocircuito se eleva a su nivel máximo y decae hasta llegar a cero. Durante el tiempo de ocurrencia de la falla, los relés realizan las medidas durante los primeros ciclos, cuando la componente transitoria aún no cae a cero.

Un núcleo normal de un TTCC se saturará muy rápidamente debido a las altas corrientes y al flujo remanente presente en el TTCC. Después que la saturación ocurre, la corriente del secundario del TTCC se distorsionará y el desempeño del relé se verá afectado, pudiendo provocar un mal funcionamiento del sistema de protección debido a lecturas erróneas de las corrientes.

Para evitar que ese fenómeno ocurra, en algunos casos es necesario sobredimensionar el núcleo para que no se sature con la componente aperiódica de los primeros ciclos.

Método del Análisis de Saturación

El análisis se realiza a los núcleos de protección y sus respectivas cargas. Los núcleos de medida no importa si son afectados por la saturación de los TTCC, por lo tanto, este análisis está acotado a los núcleos de protección.

Para esto se analiza el comportamiento de los núcleos de protección en régimen permanente y transitorio, como se detallará a continuación.

Análisis de Saturación en Régimen Permanente

Este análisis verifica que el TTCC no se sature para el valor rms de corriente de cortocircuito, en régimen permanente, existente en el lugar de instalación del TTCC.

El TTCC puede soportar hasta un cierto valor de corriente de cortocircuito (rms), sin saturarse y manteniendo un valor nominal de precisión, la cual está dada por la multiplicación entre el factor de intensidad nominal (n) y la corriente primaria nominal (Ipn) del TT/CC. El valor límite de la corriente de cortocircuito (rms), para el cual el equipo funciona correctamente, puede variar dependiendo de las características propias del TTCC, tales como, el burden nominal y la razón de transformación, de la carga que tenga conectada en el circuito secundario (impedancia de relé de protección, impedancia de cable de alimentación del relé, resistencia interna del equipo, impedancias de TT/CC auxiliares), de esta manera, para una corriente de cortocircuito del sistema eléctrico, la saturación del TT/CC va a depender exclusivamente de sus características propias y del circuito secundario conectado.

En el “Análisis de Saturación para Régimen Permanente” se calcula un factor llamado “factor de intensidad real, ALF real”, al cual se le aplicaron todos los factores que afectan al factor de intensidad nominal (n), mencionados anteriormente.

Ese factor se compara con otro factor llamado “Factor nominal de corriente de cortocircuito simétrico, K ssc ”. Este factor depende de la corriente primaria nominal del TTCC y de la corriente primaria de cortocircuito en el punto de conexión (en régimen permanente).

Posteriormente ALF real  y K ssc , son comparados entre si y de esa manera se determina si el TTCC se satura o no en régimen permanente. La comparación que se realiza es la siguiente:

Análisis de Saturación en Régimen Transitorio

Este análisis se realiza durante los primeros ciclos de la corriente de cortocircuito del sistema eléctrico, en donde el TTCC debiera tener una respuesta adecuada. Esta respuesta depende de las características transitorias del sistema eléctrico, de las características propias del TTCC y de la carga del circuito secundario.

Al igual que en el caso anterior, aquí se calcula un factor llamado “Factor límite dinámico de exactitud de falla, ALF mínD”, que se compara con el “factor de intensidad real, ALF real ”, de lo cual, si:

Todo este análisis debe ser presentado en un informe o memoria de cálculo, el cual debe incluir todos las formulas usadas, los valores del sistema eléctrico requerido para el análisis, las tablas con los resultados y las conclusiones. En consecuencia, a través de este documento se validan las especificaciones realizadas en la etapa de ingeniería básica del proyecto.

En ocasiones sólo se realizan las memorias de cálculo del burden del TTCC y no se realiza este análisis de saturación, el cual es vital para la operación segura del sistema eléctrico.

Curso “Diseño de Subestaciones Eléctricas: Análisis de Saturación y Cálculo de Burden de Transformadores de Corriente para los Sistemas de Protección, Control y Medidas”

Para más detalles del análisis de saturación de los transformadores y del cálculo del burden, tenemos un curso que aborda todo el proceso de especificación de un TTCC, respecto a la norma IEC 61869-2. Aquí se revisan todos los aspectos de la norma y los cálculos requeridos para el estudio del análisis de saturación en régimen permanente y régimen transitorio.

EL curso cuenta con material de apoyo, videos y una planilla de cálculo automatizado, con el cual, se podrán realizar los cálculos más fácilmente, en el proceso de creación de los documentos del estudio.

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