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Cuaderno Técnico nº 170

De los transformadores de corriente alos captadores híbridos en AT

Christian Teyssandier

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 170 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 170

Christian Teyssandier

Entró en Merlin Gerin en 1 962, diplomándoseingeniero en 1 967 por el INPG (Institut NationalPolytechnique de Grenoble).

Hasta 1 974 trabajó en la resolución deproblemas de magnetismo relacionados con elmotor lineal. A continuación ocupó diversospuestos de responsabilidad técnica en el campode los condensadores de potencia AT, MT y BT.

Después, en 1 993, pasó a ser jefe de proyectode transformadores de medida en MT. En 1 992vuelve a la actividad de anticipación de laDivisión MT de Merlin Gerin.

De los transformadores de corriente a loscaptadores híbridos en AT

Trad.: José Mª Giró

Original francés: diciembre 1 993

Versión española: junio 2 001

Cuaderno Técnico Schneider n° 170 / p. 4

Captador híbrido:Captador de corriente o de tensión que tiene porlo menos un elemento sensible a la magnitud amedir, acoplado a un sistema electrónico queentrega una señal secundaria (corriente otensión) que es imagen en módulo y en fase dela magnitud primaria.

CEM:La compatibilidad electromagnética es lacapacidad de un dispositivo para funcionarcorrectamente en el seno de un entornoelectromagnético sin producir perturbaciónintolerable por el hecho de estar dentro de esteentorno (Cuaderno Técnico nº 149).

Birrefringencia:Se denominan anisótropos o birrefringentes losmateriales cuyo índice de refracción depende ala vez de la dirección de propagación, del estadode polarización y también de la frecuencia de laonda luminosa.

Terminología

Nota:Los valores de las tensiones alternas, y tambiénlas de más de 1 000 V, son objeto de múltiplesdecretos, normas y especificacionesparticulares, como las de las compañíassuministradoras:

n el decreto francés de 14 de noviembre de1988, define los siguientes valores de tensión:

AT-A = 1 kV < U ≤ 50 kV,

AT-B = U > 50 kV.

n el CENELEC (Comité Europeo deNormalización Electrotécnica) en su circular de27 de julio de 1 992, precisa:

MT = 1 kV < U ≤ 35 kV,

AT = U > 35 kV.

n la publicación CEI 71 precisa varias escalasde tensiones más elevadas para el material:

gama A = 1 kV < U < 52 kV,

gama B = 52 kV ≤ U < 300 kV,

gama C = U ≥ 300 kV.

Una revisión pendiente, deja sólo dos escalas:

gama: I = 1 kV < U ≤ 245 kV,

gama: II = U > 245 kV.

n la empresa suministradora nacional deFrancia, EDF, utiliza actualmente la clasificacióndel decreto antes citado.


De los transformadores de corriente a loscaptadores híbridos en AT

La evolución técnica y tecnológica de los diversos equipos de protección y decontrol-mando que se instalan en las redes de distribución de energía eléctricaexige a su vez una evolución paralela de sus fuentes de información, que son loscaptadores de corriente o de tensión.

Este Cuaderno Técnico estudia principalmente los captadores de corriente paraaplicaciones MT.

Después de repasar las necesidades de información sobre transformadores decorriente, se explican los nuevos captadores híbridos y en particular los diseñadospartiendo de la bobina Rogowski. Se analizan también las ventajas e inconvenientesde todas las soluciones, según su aplicación.

1 Introducción p. 6

2 Generalidades 2.1 Funciones de los captadores p. 7

2.2 Evolución de los captadores p. 8

2.3 Las magnitudes a medir p. 9

2.4 Los diversos tipos de captadores de corriente p. 10

2.5 La normalización p. 12

3 Transformador de corriente 3.1 Utilización p. 13

3.2 Normalización p. 13

3.3 Especificación de un TC p. 14

3.4 Aplicaciones especiales p. 18

3.5 Comportamiento frente a la CEM p. 20

3.6 Un riesgo especial p. 20

4 Captador de corriente con bobina 4.1 Funcionamiento p. 21Rogowski 4.2 Normalización p. 23

4.3 Funcionamiento en régimen permanente y transitorio p. 23

4.4 Especificación de los captadores de intensidad con p. 25 bobina Rogowski

4.5 Comportamiento frente a la CEM p. 25

5 Captadores híbridos 5.1 Captadores ópticos de efecto Faraday p. 27

5.2 Captadores de efecto Hall p. 30

5.3 Captador de corriente de flujo nulo p. 32

6 Tabla comparativa. Síntesis p. 33

7 Conclusión y futuro 7.1 Soluciones actuales p. 34

7.2 Soluciones futuras p. 34

Anexo 1: Precisión de los TC según la CEI 185 p. 35

Anexo 2: Clasificación de los TC según la CEI 44-6 p. 36

Bibliografía p. 36


1 Introducción

La correcta explotación y la seguridad de lasredes de distribución eléctrica, desde la centraleléctrica de producción de energía hasta elpunto de utilización, se lleva a cabo medianteequipos de protección y de control-mando quenecesitan conocer permanentemente las dosmagnitudes eléctricas fundamentales, que son latensión U y la intensidad de corriente I.El conocimiento de estas dos magnitudesabarca varios aspectos:

n naturaleza de la corriente (cc o ca),

n valor de tensión (baja tensión: BT, altatensión: AT-A y AT-B),

n evolución de los transitorios de estasmagnitudes como consecuencia de los cambios

de estado que se producen natural oaccidentalmente en la explotación de la redeléctrica.

Hay varios principios físicos que puedenutilizarse para medir las corrientes alternas.Estos métodos permiten alcanzar por sí mismosniveles de prestaciones más o menoscompatibles con las requeridas en los distintosniveles de protección, explotación y seguridadbuscadas.

Para poder decir cuál es el mejor captador quese puede instalar en una red, hay que podervalorar sus prestaciones y, para hacer estaevaluación, hay que conocer el funcionamientode los diversos tipos de captadores.


2 Generalidades

2.1 Funciones de los captadores

Los captadores tienen tres funcionesesenciales:

n generar una imagen exacta y lo más fielposible de la magnitud eléctrica a medir,

n asegurar la separación entre las redes depotencia y las de medida, de protección y decontrol-mando,

n asegurar o bien la posibilidad de intercambioentre los distintos elementos de medida, deprotección y de control-mando o bien respondera las exigencias específicas de estos mismosmedios.

Generar una imagen exacta y fiel

A partir de las dos magnitudes características detoda red eléctrica, que son la corriente y latensión, los equipos de medida, protección ycontrol-mando calculan un cierto número deparámetros: cos ϕ, «rebasamiento» de losumbrales, potencia instantánea, ...

Por tanto, por diversos motivos (financieros, deseguridad de protección, de seguridad deexplotación) las señales que suministran loscaptadores que alimentan aquellos equipos hande ser exactas y fieles:

n exactas

Un captador es exacto si suministra, encondiciones específicas, una señal x2 idéntica,con un factor de medida determinado, al que seutiliza para medir x1, o sea:

x1 = k . x2

siendo:

k = factor de medida

n fieles

Un captador es fiel si el factor de medida k esindependiente del tiempo y condiciones deempleo, con tal que éstas se mantengan dentrode los valores especificados:

si para t1 x1 = k1 . x2,

y para t2 x1 = k2 . x2,

y si k1 ≠ k2,

cuando el captador de medida no es fiel.

Más adelante, en este mismo CuadernoTécnico, se darán ejemplos de captadores queno son ni exactos ni fieles en ciertascondiciones de funcionamiento, especialmente

en régimen transitorio, que difieren de lascondiciones especificadas.

La razón de transformación, o generalizando, elfactor de medida, permiten adaptar la señal amedir a las prestaciones del aparato de medida,al analizador o trazador de esta señal.

Los equipos de medida, de protección y decontrol-mando, que utilizan magnitudes deentrada de bajo valor, no pueden aceptar lasperturbaciones que existen en las redes depotencia a las que están conectados a través delos captadores de medida.

Separar la red de potencia de la red demedida, protección y control-mando

Las redes eléctricas son el soporte deperturbaciones eléctricas y electromagnéticasimportantes, especialmente severas en loscentros de transformación AT. Estasperturbaciones se deben a las maniobras de laaparamenta (seccionadores, interruptores,interruptores automáticos y contactores), a lasdescargas atmosféricas a las que estánexpuestas las líneas aéreas y a la aparición odesaparición de defectos en las redes deexplotación.

Estas perturbaciones se sobreponen local ytemporalmente a las magnitudes nominales decorriente y de tensión, lo que provocaperturbaciones en estas dos magnitudes.

La transmisión de estas perturbaciones alsecundario de los captadores debe de sercompatible con los valores de aislamiento y deimpedancia de entrada de los equipos queconstituyen la red de medida, protección ycontrol-mando. El valor de esta transmisión es elresultado de un aislamiento galvánico más omenos perfecto entre el circuito primario y elcircuito secundario de los captadores. El factorde transmisión es función de:

n las tecnologías de construcción de loscaptadores,

n los principios físicos aplicados (para efectuarla medida) que en ciertos casos llevan a unfactor casi nulo.

El aislamiento galvánico juega un papel esencialen el comportamiento respecto a la CEM(compatibilidad electromagnética) de los diversostipos de captadores.


Para cada tipo de captador de los que sepresentan en este Cuaderno Técnico se tratarásu comportamiento frente a la CEM. Estacompatibilidad depende también de los equiposasociados, puesto que los captadores sirvenpara adaptar a la red de potencia los diversosmedios de medida, de protección y de control-mando.

Intercambiabilidad y cumplimiento de lasespecificaciones de los aparatos«alimentados» por los captadores

Los equipos de medida, de protección y decontrol-mando evolucionaron mucho durante losaños 80. Esta evolución no ha terminado. Poresto, en un mismo cuadro se pueden encontrarestos equipos con tres tecnologías diferentes.

n electromecánica

Esta tecnología es la más antigua. Utiliza losefectos electromagnéticos de las magnitudeseléctricas. Este principio exige que loscaptadores proporcionen una energía importante.Del orden de 15 VA en funcionamiento normal,pudiendo alcanzar puntualmente hasta 3 400 VAal producirse un defecto en el circuito primario delcaptador.

n electrónica analógica

Esta tecnología más reciente apareció con eldesarrollo intensivo de los semiconductores. Laenergía requerida por estos equipos es muchomenor, del orden de 1 VA en régimen normal y dehasta 225 VA durante un defecto. Así resultaposible tener varios relés de protección conec-tados a una misma salida de los captadores.

n electrónica digital

Basada en los microprocesadores, es latecnología actual y todavía está evolucionando.La energía que necesita es muy baja, del ordende mVA (0,001 VA) en régimen normal y de0,25 VA durante un defecto. Por este motivo,normalmente, los captadores pueden no tenermás que una única toma de muy baja potencia,que es suficiente para alimentar la unidad deprotección y control-mando que se le asocia,aunque en ciertos casos y en particular para lasprotecciones diferenciales (de zona, de juego debarras, de transformador) los captadores debende tener al menos dos salidas.

Esta evolución todavía no ha sido tenida encuenta por los redactores de normas de loscaptadores, por lo que éstas no permitenactualmente aprovechar completamente todaslas ventajas que ofrecen las tecnologíasbasadas en microprocesadores y loscaptadores desarrollados en los últimos años.Sin embargo, se pueden encontrar en elmercado, especialmente en AT- A y en AT-Bcadenas de medida de protección y de control-mando que aprovechan estos adelantos. Estosequipos se asocian a captadores específicosque realizan una adaptación lo más perfectaposible entre la red de potencia y la cadena decontrol-mando.

Estos captadores sólo pueden utilizarse con losdispositivos de medida, de protección y decontrol-mando para los que han sidodesarrollados y no con otros.

2.2 Evolución de los captadores

Además de que los equipos modernos demedida, protección y control-mando necesitanmenos energía; en los últimos años, la evoluciónde los captadores está relacionada con tresnecesidades o exigencias:

n fiabilidad

Ha contribuido a esta evolución la búsquedapermanente de la continuidad del servicio y lalimitación de los efectos exteriores en caso deincidente.

n exactitud y fidelidad

La evolución de equipo y materiales para redes,sobre todo en AT-B, con la aparición deunidades con aislamiento gaseoso y la

búsqueda de la continuidad del servicio, hanforzado el desarrollo de los captadores lineales,también llamados «linealizados». Estoscaptadores hacen posible y segura la actuaciónde los sistemas de protección y de control-mando en el periodo de régimen transitorio.

n coste

La correcta explotación de la red con el objetode mejorar la continuidad del servicio requiere elconocimiento de las magnitudes característicasde las redes en muchos sitios, de ahí lautilización de un número cada vez mayor decaptadores. Por este motivo el coste de loscaptadores pasa a ser un elemento importante.


Valor de tensión

Es una característica importante de la red en laque se instalarán los captadores. De este valorde tensión se derivan los valores dieléctricos quese utizarán para dimensionar los captadores.

La CEI –Comisión Electrotécnica Internacional–en su norma 71 define la tensión más elevadapara un material, Um, como el valor máximo de latensión entre fases que la red puede alcanzar.

A esta tensión Um se le asocian, en la mismapublicación y en las publicaciones que se refierena los captadores de medida, el comportamientodieléctrico a la frecuencia de red (50 Hz), laresistencia a la onda de choque (1,2/50) y segúnel caso, el comportamiento frente a las ondas demaniobra y a las ondas de ruptura.

Esta misma publicación divide en tres gamas losvalores normalizados de Um:

n la gama A, de 1 kV a menos de 52 kV,

n la gama B, de 52 kV a menos de 300 kV,

n y la gama C, de 300 kV o más.

El resto de este Cuaderno Técnico estádedicado esencialmente a los captadores paralas redes de la gama A.

Tipos de magnitudes

La gestión, la supervisión, la protección y eltelemando de cualquier tipo de red se llevan acabo a partir de las dos magnitudescaracterísticas de todo circuito eléctrico: latensión y la intensidad de corriente.

n tensión

El valor nominal de una red eléctrica AT-A varíadesde algunos centenares de voltios a algunasdecenas de miles de voltios. Las tensiones dedefecto son generalmente bajas y frecuentementepróximas a cero.

n intensidad de corriente

El valor nominal varía desde algunos amperios aalgunos miles de amperios. Las corrientes dedefecto pueden alcanzar varias decenas dekiloamperios.

En este Cuaderno Técnico sólo se analizarán loscaptadores de corriente, puesto que representanla mayor parte de los captadores de magnitudeseléctricas en una red. Es precisamente en AT-Adonde su importancia económica es la mayor ... ypor tanto debe de ser reducida en lo posible.

Para ello hay que:

n por una parte, conocer las prestacionessolicitadas para la aplicación a desarrollar yespecificarlas lo más exactamente posible,

2.3 Las magnitudes a medir

n por otra, conocer el funcionamiento yevaluar las prestaciones de los diversos tipos decaptadores de corriente.

Utilización de las magnitudes

En la explotación de una red, estas magnitudescaracterísticas se utilizan para diversosequipos. Y así, el conocimiento de estos equipospermitirá determinar las características delsecundario de los captadores de corriente.

n aparatos de medida

o los aparatos de cuadro, relativamente pocoprecisos, permiten leer el valor de las magnitudesa medir.

Téngase presente que en la cadena de control-mando, los aparatos de aguja tienden a sersustituidos por sistemas con visualizaciónnumérica o digital. Son los amperímetros,voltímetros, vatímetros, frecuencímetros, ... Declase 1,5 ó 3, su asociación con captadores declase 1 es normalmente suficiente para lafunción que se le asigna.

o los contadores y registradores son utilizadospor los distribuidores-suministradores deenergía para la facturación y para el reparto degastos de consumo de energía entre losdistintos talleres de un mismo abonado. Suprecisión suele ser mejor que la de los aparatosantes citados. Para facturación, el captadorasociado suele ser de clase 0,5. Para el reparto,la precisión que se pide es menor, siendosuficiente normalmente un captador de clase 1.

n relés de protección

De tipo modular, cada elemento tiene unafunción perfectamente definida; estos elementossuelen agruparse para supervisar una parte dela red eléctrica (figura 1 ). Las funcioneselementales más conocidas son:

Fig. 1: Relés de protección de tipo modular (Vigirack -Merlin Gerin).


o la protección de máxima corriente de fase(sobrecarga o cortocircuito),

o la protección de máxima corriente homopolar,

o la protección direccional de corriente (fase yhomopolar),

o la protección diferencial de zona,

o la protección de retorno de potencia activa,

o la protección de retorno de potencia reactiva.

n unidades de protección y de control-mando

Son conjuntos integrados configurables basadosen el uso de microprocesadores (figura 2 ).Estas unidades agrupan (a nivel de celdas: nivel1 de un sistema de gestión técnica de la redeléctrica), con unas dimensiones muy pequeñas,las diversas funciones necesarias para laexplotación de las redes eléctricas, que son:

o las medidas,

o las protecciones,

o los automatismos,

o las comunicaciones hacia niveles superiores2 (subestaciones) ó 3 (centro de control).

Fig. 2: Unidad de protección y control-mando (SEPAM2000 - Merlin - Merlin Gerin).

Téngase presente que, en los circuitos deentrada de estos equipos de medida, hay queevitar tanto las grandes corrientes como lasgrandes tensiones. Precisamente el rol de loscaptadores es el adaptar los valores de lasseñales para los circuitos de las entradas(medida y/o protección).

Los captadores de corriente se clasifican entres grandes familias:

n los transformadores,

n los captadores específicos,

n los captadores híbridos.

Transformadores de corriente –TC–

Este captador tiene dos circuitos eléctricos,primario y secundario, y un circuito magnético.Proporciona una señal secundaria de la mismanaturaleza que la magnitud primaria a medir; esuna fuente de corriente. A pesar de que no sonlineales y de que su margen de utilización estálimitado por los fenómenos de saturaciónmagnética, son actualmente los captadores másutilizados en AT-A y AT-B.

Un TC puede tener varios secundarios, cadauno dedicado específicamente a una funcióndeterminada, medida o protección.

n secundario de «medida»

Su gama de precisión es estrecha, estandonormalmente limitada a corrientes iguales oinferiores a la corriente primaria asignada.

2.4 Los diversos tipos de captadores de corriente

n secundario de «protección»

En este caso, el margen de precisión es muchomás amplio, llegando normalmente a unas veinteveces la corriente primaria asignada. El diseñodel secundario de este tipo de captadores esmuy diferente, según el modo de funcionamiento,régimen permanente o transitorio, al que sedestinan. Hay que indicar que el margen defuncionamiento de un TC es generalmentemucho más amplio que su margen de precisión,porque aquél debe de tener en cuenta lacorriente de cortocircuito.

Captador específico –CS– o captador conbobina de Rogowski

El principio de funcionamiento de este captadorfue descrito por Rogowski en 1912. Se distinguede sus predecesores porque en su constituciónno interviene ningún material ferromagnético.Esta ausencia le confiere una perfecta linealidaden un margen muy amplio de valores decorriente. Esta linealidad no se ve afectada porlas diferentes frecuencias presentes en lasredes AT-A y AT-B. Este tipo de captadorasociado a una impedancia de carga Z, de valorelevado (≈ 10 kΩ a 50 Hz), es una fuente detensión (figura 3 ).


Captadores híbridos –CH–

La definición de captador híbrido dada en laterminología abarca varios tipos de captadores.Aquí sólo se citan los más conocidos y los másutilizados en AT-A y AT-B.

n captadores de corriente óptica

Su elemento sensible es un una fibra óptica o uncristal óptico. En los dos casos se aplica elprincipio de Faraday, descubierto en 1845 poreste físico.

n transformador de flujo nulo

En este tipo de CH el elemento sensible es un TCen el que el flujo creado por el primario es

Fig. 3: Esquema de principio de un CS.

anulado para cada arrollamiento secundario porun arrollamiento auxiliar (figura 4 ). Esto anula losinconvenientes de la saturación, pero sólo paraciertos márgenes limitados de funcionamiento(corriente y frecuencia).

n captador de corriente de efecto Hall(figura 5 )

Su elemento sensible es una célula de efecto Hall(figura 5 ). Permite medir correctamente tantocorriente continua como alterna. Puesto quesuele utilizar un circuito magnético para aumentarsu sensibilidad, sufre, como un TC, lasconsecuencias de los fenómenos de saturación.

Fig. 4: Esquema de principio de un TC de flujo nulo.

I1 = corriente a medirI2 = corriente del circuito secundarioCM = circuito magnéticoZ = impedancia de carga,

generalmente de bajo valorA = amplificador de corrienteES = arrollamiento secundarioSD = arrollamiento de detección de flujo nulo

que pilota al amplificador A

CM

Z

I1

A

SD

ES

I2

+

soporte no ferromagnéticoradio del soporte

radio medio del toroide

I = corriente a medir

arrollamiento secundario(hilo fino)

tensión entregada

Z

I

Idu f

dt =


CM

CH

A+_

Vh

i

I

Fig. 5: Esquema de principio de un captador de corriente a efecto Hall.

La normalización existente, nacional ointernacional, sólo se refiere a los TC(transformadores de corriente). Se estánrealizando diversos trabajos para normalizar loscaptadores híbridos –CH–. Estos estudiostodavía no afectan a los captadores específicos.

Normas nacionales

En la CEE las normas nacionales de los diversospaíses están en curso de armonización a travésdel CENELEC. Esta armonización se hace sobrelas bases de la normalización internacionaleditada por la CEI.

Normas internacionales

La CEI, a través del Comité de Estudios nº 38elabora normas que se refieren a los captadoresde corriente y de tensión.

Precisión

A partir de las normas existentes para los TC, esposible definir un cierto número de términosgenéricos que se pueden aplicar a todos lostipos de captadores. En esta normalización seagrupan bajo el término «precisión». Permitenespecificar y evaluar las prestaciones y camposde utilización de los captadores de corriente.

n razón de transformación teórica

Es la razón entre los valores eficaces asignadosa las magnitudes primarias y secundarias. Suelerepresentarse con la notación Kn. Para los TCes un número adimensional. Para los CS o losCH suele expresarse en:

( )( )

Amperios primario

Voltios secundario

2.5 La normalización

n error

Todos los captadores tienen imperfecciones queprovocan distorsiones en la reconstrucción de laseñal secundaria.

En corriente alterna existen tres tipos deerrores:

o error de relación: expresado en %, se calculaa partir de la diferencia entre la razón detransformación real y teórica (anexo 1),

o error de fase: suele expresarse en minuto deángulo, y da, para π (TC) o para π/2 (CS), ladiferencia de fase que existe entre el vector dela magnitud primaria y el de la magnitudsecundaria (anexo 1),

o error compuesto: expresado en % del valoreficaz de la corriente primaria, es, en régimenpermanente, el valor eficaz de la diferencia entre:– el valor instantáneo de la corriente primaria,– y el producto de la razón de transformaciónasignada por el valor instantáneo de la corrientesecundaria.

n clase de precisión

La clase de precisión define para un captador decorriente los límites máximos de los errores (derelación y de fase) en condiciones especificadas.

n carga de precisión

Expresada en ohmios, con un factor de potenciaespecificado, es el valor de la impedanciaconectada en los bornes secundarios delcaptador sobre cuyo valor se basan lascondiciones de precisión.

n potencia de precisión

Expresada en VA, es la potencia aparente que elcaptador puede proporcionar a su carga deprecisión, cuando está atravesado por lacorriente primaria asignada.

I = corriente a medirCM = circuito magnéticoCH = célula de Halli = corriente de alimentación de la

célula de HallVh = tensión de Hall, proporcional

a «i» y a «I»A = amplificador de tensión

o de corriente


3 Transformador de corriente

Su principio de funcionamiento (brevementedescrito en el capítulo 2) le confiere propiedadesventajosas pero también perjudiciales en ciertoscasos para la explotación de las redes.

3.1 Utilización

En AT-B, la aparición de equipos blindados congas aislante y la búsqueda de la estabilidaddinámica permanente de las redes lleva a utilizargeneradores de gran potencia que obligan atener en cuenta su funcionamiento durante losperíodos de cambio de estado de la red(régimen transitorio).

Los fenómenos de saturación y de histéresis,sin un sobredimensionamiento importante de losnúcleos magnéticos de los TC, hacen que larespuesta en régimen transitorio de este tipo decaptadores no sea exacta ni fiel. En general,para obtener una respuesta exacta, hay queesperar al final del régimen transitorio. Estetiempo de espera, en ciertos casos deexplotación y defecto, no siempre es compatiblecon la seguridad de los equipos y de laspersonas.

A veces es necesario detectar el defecto en elprimer período del régimen transitorio, que enciertos tipos de redes puede durar 200 ms(o sea, 10 períodos).

En régimen transitorio, también son necesariasla exactitud y la fidelidad:

n en AT-B, para los equipos que se encuentrancerca de las centrales de gran potencia y en losjuegos de barras de los centros detransformación importantes,

n en AT-A, en las proximidades de las fuentes,cuando una red AT-B de gran potencia estáalimentada o por un transformador con unarelación de transformación muy alta (220 kV/20ó 36 kV, por ejemplo) o por generadores de muygran potencia unitaria.

La normalización actual permite, para los TC ypara los dos casos de funcionamiento(permanente y transitorio) y a partir decondiciones específicas, evaluar perfectamentelas prestaciones de estos equipos.

Tanto su descripción técnica así como sufuncionamiento se describen detalladamente enel Cuaderno Técnico nº 164, que aborda sobretodo los problemas derivados del funcionamientode las instalaciones eléctricas en régimenpermanente.

3.2 Normalización

Funcionamiento en régimen permanente

Los TC destinados a funcionar siguiendo esterégimen deben de cumplir normasinternacionales, europeas y nacionales.

n normas internacionales

La CEI 185, segunda edición de 1987, en cursode revisión por el CE 38, se refiere a los TC demedida y de protección de clase P (anexo 2).

La revisión en curso tiene principalmente elobjeto de refundir las cláusulas que se refieren alas características dieléctricas y la adición de uncierto número de disposiciones que se refierenúnicamente a los TC para AT-B como son losesfuerzos mecánicos sobre las conexiones y lasperturbaciones radioeléctricas.

n normas europeas

Esta normalización, editada por la CENELEC, sehace a partir de documentos CEI. Para los TC,en 1993, todavía no hay documentos EN. Sóloestán en curso de discusión los documentos dearmonización (HD).

n normas nacionales

Actualmente, en Europa, son muy diferentesunas de otras. En el futuro estarán máspróximas porque todas deberán ser conformescon la norma EN que se refiere a los TC parafuncionar en régimen permanente.

o Francia

La norma NF C 42-502 (febrero 1 974) estáprácticamente conforme con los documentos


CEI y lo estará con la norma EN excepto en elmodo de nombrar los bornes secundarios.

Nota:Según la norma NF C 42-502 el bornesecundario conectado a masa de la instalación,siempre se referencia como S2; este borne estambién el borne común a todas las razones detransformación en el caso de TC con variasrazones de transformación obtenidas de tomasdel arrollamiento secundario. Por otra parte, lamisma norma indica que los arrollamientosdestinados a la medida deben de tener unreferenciado impar; en cambio, losarrollamientos destinados a la protección sereferencian con cifra par.

o Gran Bretaña

La norma BS 3938 (febrero 1 973) es muysimilar a la de la norma CEI y seráprácticamente conforme con los documentosEN. Incluye además los arrollamientos clase Xdestinados a la protección. Este último tipopermite una especificación más precisa de losarrollamientos de protección. En un próximofuturo, esta clase podría quedar incluida en lasnormas europeas EN.

o Italia

La norma CEI 1 008 (Octubre 1 987) (ComitatoElectronico Italiano) es conforme a la CEI 185 yserá también conforme con la norma EN cuandose publique.

o USA

La norma ANSI / IEEE C57 13 (1978) es muydiferente de la CEI 185 y de las normas europeas:– las clases y las potencias de precisión noestán definidas en los mismos términos,– las referencias de los bornes son muydiferentes,– y los aparatos son normalmente másvoluminosos.

Funcionamiento en régimen transitorio

Los grandes distribuidores de energía tienendesde hace mucho tiempo especificaciones deempresa que afectan al funcionamiento de losTC en modo transitorio. Estas especificacionesse cumplían, y todavía se cumplen en losprocesos de fabricación especiales y son objetode acuerdos directos entre los fabricantes yusuarios.

n normas internacionales

A nivel internacional, las prescripciones que serefieren a los TC para protección, en cuanto asu respuesta en régimen transitorio, estánactualmente incluidas en la norma CEI 44-6(primera edición 1 992-03).

n normas europeas y nacionales

Todavía no existen estas normas. La normaeuropea, en curso de elaboración, estará muypróxima de la CEI 44-6. Las normas nacionalesserán editadas por los diferentes organismos apartir del documento EN.

3.3 Especificación de un TC

Los diferentes elementos que intervienen

El usuario, el diseñador de la red, el fabricantedel sistema de protección y el fabricante de losTC intervienen, a diferentes niveles, en laespecificación de los TC, teniendo cada uno encuenta preocupaciones diferentes:

n el diseñador de la red que, por razones deseguridad de funcionamiento, tiene tendencia aaumentar los factores de dimensionamientoligados al primario del TC:

o la resistencia térmica y electrodinámica(representada por los valores eficaces y decresta de las corrientes de cortocircuito) paraaguantar durante un tiempo, generalmente iguala 1 segundo,

o la duración del régimen asimétrico, dandoconstantes de tiempo o razones X/Rsobredimensionadas.

n el fabricante de los relés (de protección)que por razones de seguridad de funcionamientode sus equipos tiene tendencia a especificar lasprestaciones secundarias elevadas:

o potencia de precisión, sobreestimando elvalor de las impedancias de conexión entre elrelé y el TC,

o clase de precisión, exigiendo al TC que nointroduzca error adicional en la cadena. Hay quetener presente que podría conseguirse unaprecisión global idéntica utilizando equipos algomás precisos y TC de menor precisión.

Por ejemplo:

un aparato de medida de clase 3 con un TC declase 0,5 da una precisión global de clase 3,5.En ciertos casos es mejor (financieramente)coger un aparato de clase 2 y un TC de clase 1que dan una precisión global de 3. Esto esespecialmente válido en el caso de pequeñascorrientes primarias y de grandes corrientes decortocircuito.

n el fabricante de los TC que intenta conciliarlas diversas demandas, teniendo en cuenta suspropios imperativos, para poder satisfacer lademanda. La razón Ιth/Ιn (resistencia térmicadurante 1 s/Ιprimaria asignada) da una buena idea


de la viabilidad del TC y esto independientemen-te de las prestaciones secundarias solicitadas.

Por ejemplo:

o Ιth/Ιn ≤ 100:

el TC obtenido puede considerarse estándar conprestaciones secundarias normales,

o 100 < Ιth/Ιn ≤ 400:

el TC que responde a estas especificaciones esun TC cuya posibilidad de realización se ha deestudiar individualmente, sus prestacionessecundarias son reducidas,

o Ιth/Ιn > 400:

este TC no siempre puede fabricarse, puesto quesus prestaciones secundarias son muy bajas.

Las magnitudes a especificar

Para fabricar un TC hay que especificar variasmagnitudes. Algunas tienen valoresnormalizados (véanse las normas citadas en elapartado de normalización).

Para los TC que deban de tener una precisiónespecífica en régimen transitorio hay quereferirse o a la norma CEI 44-6 ó a lasespecificaciones de las empresas.

La siguiente enumeración sólo se refiere a losTC funcionando en régimen permanente.

n primario

o valores de aislamiento definidos para trestensiones, la más elevada de la red (Um), latensión asignada de resistencia de cortaduración a la frecuencia industrial y la tensión deresistencia a la onda de choque,

o corriente de cortocircuito térmico asignada(Ιth) y su duración, si no es de 1 s,

o resistencia electrodinámica (Ιdy) si su valorde cresta no es 2,5 Ιth,

o la corriente primaria asignada

Según las reglas del arte de la profesión, suelepreferirse que la corriente nominal de la red enla que está instalado un TC esté comprendidaentre el 40 y el 100% de la corriente primariaasignada del TC.

n secundario

Las funciones de medida y protección deben deespecificarse, puesto que soportansobreesfuerzos y requieren especificacionesdiferentes. En ambos casos (medida yprotección) hay que especificar la corrientesecundaria asignada (1 ó 5 A).

o medida

Hay que especificar la potencia de precisión(en VA), la clase de precisión y el factor deseguridad (FS) máximo, generalmentecomprendido entre 5 y 10 y muy excepcional-mente inferior a 5.

Nota: El factor de seguridad es la razón entre lacorriente primaria, para la que el error derelación de transformación es mayor o igual al10% y la corriente primaria asignada.

Las diversas clases de precisión y lascorrespondientes exigencias vienen dadas porlas diferentes normas.

Para los aparatos de cuadro de clase 1 esgeneralmente suficiente. La designación usualde un secundario de este tipo se hace comosigue:

10 VA CI1 FS < 10

factor de seguridad < 10clase de precisión = 1

potencia de precisión = 10 VA

o protección

Existen dos maneras de especificar losarrollamientos destinados a la protección.

– Conforme a la CEI 185 y las normaseuropeas: se especifica la potencia de precisión(en VA), la clase de precisión (5P ó 10P) y elfactor límite de precisión (FLP).

La clase de precisión da el error compuestomáximo admisible sobre la corriente secundariapara una corriente primaria igual a FLP veces lacorriente asignada (5P = 5%, 10P = 10%). Lasnormas dan las características y exigenciasasociadas a las diferentes clases de precisión.

Entonces, los arrollamientos se designan así:

10 VA 5P 10

factor límite de precisión = 10clase de precisión = 5P

potencia de precisión = 10 VA

– Conforme a la norma BS 3938: se especificael valor en voltios de la tensión de excitación enel codo de saturación (Vk), la resistenciamáxima del arrollamiento (Rct) y, si esnecesario, la corriente de excitación máxima (Ιo)para la tensión Vk. En este caso, losarrollamientos se designan de la siguiente forma:

0,050 150 R 0,50

resistencia Rct en ohmiostensión Vk en voltios

corriente Io en amperios

Las imperfecciones de los TC

Las imperfecciones magnéticas (saturación,remanencia, pérdidas por corrientes de Foucaulty por histéresis) generan imprecisiones en losTC: error de relación de transformación y de


fase, linealidad imperfecta, respuestadependiente de situaciones anteriores... Otrasimperfecciones son debidas a los entornoselectromagnético y eléctrico del TC.

n fenómenos magnéticos

Los dos fenómenos principales «perturbadores»son la saturación y la histéresis: un TC saturadoentrega una señal que ya no es senoidal y suprecisión no puede ser garantizada (errores derelación de transformación y de fase muyamplificados).

Estos fenómenos se presentan:

o durante el régimen transitorio, por ejemplo, alcerrar un circuito sobre un defecto con o sincomponente continua, el estado de saturaciónalcanzado depende del estado magnético inicialdel circuito magnético (existencia, más o menosimportante, de magnetismo remanente),

o en régimen permanente de cortocircuito, si elvalor de éste es superior a FLP veces lacorriente primaria asignada,

o cuando el valor de la carga a la que estáconectado el TC es superior a su carga deprecisión, caso de que existan conexiones degran longitud o de que se hayan añadido equiposen el circuito de carga del arrollamientosecundario,

A

PR PA

A

CM

I1

corte AA

zona A de aumentode inducción

BPRBPR

BPA

BPA

B

B

o si la frecuencia de la red es inferior a lafrecuencia asignada: la utilización en 50 Hz deun TC que tenga una frecuencia asignada de60 Hz provoca un aumento de la inducción del20%; por el contrario, la utilización en 60 Hz deun TC de frecuencia asignada 50 Hz, no tieneriesgos especiales.

El funcionamiento en régimen saturado no debede mantenerse. La saturación provocacalentamientos anormales en los componentesactivos del TC:

o del circuito magnético, porque las pérdidaspor histéresis y por corrientes de Foucault sonimportantes,

o del bobinado secundario, porque lascorrientes, además de muy deformadas, sonmuy altas.

n fenómenos externos

o posición del conductor primario y de losconductores próximos. Sus geometrías y susposiciones relativas respectivas pueden alterarde forma no despreciable la precisión de lostransformadores de medida. Estas alteracionesse deben a la no lianealidad de los materialesferromagnéticos. El caso típico es el de lostransformadores de corriente instalados en unbucle (figura 6 ) o en tresbolillo en los juegos de

Fig. 6: Esquema de un TC de barra pasante cuyo circuito primario forma un bucle.

El conductor de retorno o de la fase próxima (PR) creaun campo magnético perturbador en el circuitomagnético (CM); este campo se suma vectorialmenteal que crea la corriente I1, que es la que hay que mediry que atraviesa normalmente (PA). Esta suma vectorialproduce un aumento de la inducción en la zona A.

Este aumento de la inducción depende de:

– la corriente que circula por el conductor perturbador,

– la distancia que hay entre el circuito magnético y estacorriente perturbadora.

Esto provoca saturaciones locales que provocan unaumento del valor de la corriente de excitación (Ie) ypor consiguiente de los errores.


I1

I2

I3

TC1

TC3

TC2

TC1

TC3

TC2

Zona de aumento de inducción

Fig. 7: Esquema de tres TC de barra pasantecolocados en tresbolillo en el juego de barras.

barras (figura 7 ). Estos dos montajes provocanun incremento localizado de la inducción y de ahíla aparición del error.

o ciclo de rearranques

Después de un corte de una corriente decortocircuito primaria, el retorno al valor deremanencia de la inducción en el núcleomagnético del TC no es instantáneo. Ladisminución de esta inducción sigue una leyexponencial que tiene una constante detiempo T2; ésta última es función del circuitosecundario y suele tener una duracióncomprendida entre uno y tres segundos. Portanto, al producirse un reenganche rápido, hayen el circuito magnético del TC un magnetismoremanente que se suma vectorialmente a lainducción creada por la corriente que se estáestableciendo (figura 8 ). Si las dos inducciones

t

t

t

Ip

Is

B

(primario)

(secundario)

(inducción)

Fig. 8: Evolución de las corrientes y de la inducción en un TC no saturado.


3.4 Aplicaciones especiales

Medida de corrientes diferencialesresiduales

En la red de distribución BT, la protección depersonas suele hacerse supervisando el valorde la corriente diferencial residual. Estaprotección, frecuentemente integrada en elinterruptor automático BT, suele ser autónoma:la energía necesaria para el funcionamiento laproporciona el TC de detección de las corrientesdiferenciales residuales.

Las prestaciones que se piden a estos TCnecesitan generalmente materialesferromagnéticos que tengan una permeabilidadrelativa (µr) muy grande, a base de níquel, y, portanto, son caros. Hay un método rápido dedimensionar este tipo de TC (anexo 3;bibliografía: artículo de la revista RGE nº 4).

Medida de la corriente homopolar ( ΙΙΙΙΙo)

Es la corriente resultante de la suma vectorial delas tres corrientes de fase de un circuitotrifásico. Esta suma puede efectuarse de dosmaneras:

n sumando las corrientes secundarias de lostres TC (montaje de Nicholson).

Para esto hay que utilizar TC con la mismarelación de transformación, asegurándose deque las conexiones primarias y secundarias se

hacen respetando las polaridades (sentido delbobinado) de los diferentes arrollamientosprimarios y secundarios (figura 9 ). En estemétodo hay dos fenómenos que limitan losumbrales de detección:

o en régimen permanente, las diferencias deerror de relación de transformación y de fasehacen que la suma vectorial no sea nula; portanto, aparece una «falsa corriente homopolar»que puede no ser compatible con los umbralesde sensibilidad deseados.

En la práctica, emparejando los TC (en fase ymódulo) se puede conseguir bajar los umbrales,

o en régimen transitorio, la saturación y lahistéresis de los circuitos magnéticos provocanel mismo defecto. Un sobredimensionamiento delos TC aleja el punto de aparición de estosfenómenos.

Estas soluciones (emparejamiento ysobredimensionamiento) no permitengeneralmente la detección de una corriente Ιoinferior al 6% de las corrientes de fase.

n mediante suma de flujos

Para paliar la falta de precisión del primermétodo y evitar los problemas que plantea, esposible hacer la medida de las corrientes Ιomediante un único TC toroidal o «toro»: sucircuito magnético es atravesado por las tres

tienen el mismo signo y si el TC no estádimensionado para garantizar la precisión enrégimen transitorio, es muy probable que laseñal secundaria suministrada por el TC no separezca en nada a la corriente primaria que loatraviesa.

n precauciones a tomar con los TC

o en régimen permanente:

– el dimensionamiento del TC debe sercompatible con el uso al que se destina,

– la suma de las impedancias de entrada detodos los relés y/o aparatos de medida ademásde la de los cables de conexión debe de serinferior o, como mucho, igual a la impedancia deprecisión. Ésta última se obtiene dividiendo lapotencia de precisión asignada por el cuadradode la corriente secundaria asignada,

– las condiciones de instalación no deben deprovocar saturación local importante. Hay quesuprimir las instalaciones en tresbolillo(figura 7 ).

o en régimen transitorio, para los secundariosde protección únicamente:

– en el caso general de protecciones a tiempoconstante, para tener en cuenta (en todo o enparte) los fenómenos de histéresis, es suficienteverificar que el valor de la corriente de ajuste deactuación (de la protección) dividida por el valorde la corriente secundaria asignada del TC, esinferior a dos veces el FLP del secundarioafectado,

– para las protecciones a tiempo dependiente(diferencial, homopolar, ...) hay que estar segurode que la especificación del TC es conforme alas recomendaciones del fabricante del relé.

– si en este período de funcionamiento senecesita una respuesta precisa, hay queespecificar y diseñar los TC conforme a lasdiferentes clases definidas en la CEI 44-6(anexo 1). Esta norma lleva siempre a unsobredimensionamiento importante de los TC.La necesidad de tener un bajo magnetismoremanente (caso de rearranques) lleva a lautilización de circuitos magnéticos conentrehierro. Los TC llamados «linealizados» seconsiguen precisamente de esta forma (ver TPZen la norma CEI 44-6).


corrientes de fase Ι1, Ι2 e Ι3 de la red trifásica(figura 10 ). Con un diseño adecuado(materiales ferromagnéticos, dimensionado ycarga de precisión) y ciertas precauciones deinstalación del toro (cables agrupados ycentrados, eventual utilización de un manguitoferromagnético) este método permite medirvalores muy bajos de corriente Ιo con buenaprecisión (error de módulo del orden de 1% yerror de fase inferior a 60 minutos de ángulo):algunos centenares de mA en AT-A y algunasdecenas de mA en BT.

n detección del defecto

En las redes de distribución AT-A, la utilizaciónde detectores de defectos facilita la localizaciónrápida de éstos permitiendo así reducir almáximo tanto la parte de red no alimentadacomo la duración del corte. La señalización del

P1 P2

S1 S2

P1 P2

S1 S2

P1 P2

S1 S2

I2

I1

I3

Io

manguitometálicoagrupación ycentrado deconductores

L manguito 2 diámetro del toro

toro

L

I2I1

I3

Fig. 9: Conexión de tres TC para la medida decorriente homopolar (montaje de Nicholson). Fig. 10: Medida de la corriente mediante un toro.

paso de la corriente de defecto, dada por estosdetectores, puede visualizarse de dos maneras:

o por visores mecánicos o eléctricos,colocados en los puntos de fácil acceso para elpersonal de explotación (caso de los centros detransformación MT/BT en las redes urbanas orurales subterráneas),

o por teletransmisión a un centro de explotaciónpara los detectores de defectos situados en losinterruptores telecontrolados de las redes dedistribución pública.

Estos detectores de defectos se alimentanmediante TC que no están regulados porninguna norma: son los conjuntos TC-detectorde defecto que especifican los usuarios.


3.5 Comportamiento frente a la CEM

En AT-A la CEM de los TC puedeconsiderarse satisfactoria. En AT-B, laspantallas repartidoras de campo eléctrico,más o menos perfectas, pero obligatorias,pueden llevar a una CEM no satisfactoriadel TC.

La capacidad de acoplamiento existenteentre los arrollamientos primario ysecundario del TC contribuye a latransmisión de las perturbaciones desde elcircuito primario al secundario. El valor de

esta capacidad es función de la tensión deaislamiento del TC, de las características delsecundario y de la tecnología de aislamientoutilizada. Ciertas especificaciones de empresaspara las tensiones Um > 123 kV dan un valormáximo del factor de transmisión de lasperturbaciones. Esta magnitud se mide medianteun ensayo de tipo descrito en la especificación.La introducción en la normalización internacionalde esta noción está actualmente en discusión enel seno del CE 38.

3.6 Un riesgo especial

Es peligroso abrir el circuito secundario deun TC.

El flujo de inducción magnética que circula porel núcleo magnético es la suma de dos flujosde signos opuestos: uno resultante de lapresencia de una corriente primaria y el otrode una corriente secundaria. Si se anula ésteúltimo abriendo el circuito secundario,aumenta mucho el flujo en el núcleo, lo queprovoca un gran aumento de la tensión enbornes del secundario, pudiendo alcanzarsevalores de tensión de pico o instantáneos

superiores a 5 kV. Estas tensiones pueden sermortales para las personas y provocar ladestrucción del equipo.

Conclusiones prácticas

n no hay que abrir en ningún caso el circuitosecundario de un transformador de corriente enservicio,

n antes de cualquier actuación sobre la cargade un TC en funcionamiento hay que hacer uncortocircuito de la menor impedancia posible enlos bornes del secundario.


4 Captador de corriente con bobina Rogowski

El principio de funcionamiento de este captadorde corriente fue descubierto por ROGOWSKI en1912. Este tipo de captador (que a partir de

4.1 Funcionamiento

Principio físico

La aplicación del teorema de Ampère a unabobina Rogowski (figura 3 ) indica que la tensiónque aparece en los bornes de una carga Z, devalor elevado, es función de la corriente Ι = i(t).

La corriente Ι a medir crea localmente, en cadaespira, una inducción b = µ0 . h, siendo µ0 lapermeabilidad del vacío, puesto que el soportede los bobinados no está realizado conmateriales ferromagnéticos, y h el campomagnético correspondiente a la corriente Ι. Elflujo abarcado por el conjunto de la sonda tienela expresión:

2espiras. .r .b∅ = π∑

Si todas las N espiras son de sección idéntica ysi sus centros están situados dentro de unmismo círculo de diámetro R, que puedeconsiderarse como muy grande respecto a supropio radio r, es posible escribir:

20N. .r . .h∅ = π µ

y por la aplicación del teorema de Ampère:

( )20

i tN.

2..r . .

.R∅ = π µ

π

La fuerza electromotriz desarrollada en elbobinado es:

( )2

0d N. die t

dt 2.R dtr ∅= − =

µ

Si

( ) ( )I.i t 2 sen t= +ω ϕ

por tanto

( )I.di

2 cos tdt

.= +ω ω ϕ

y

( )

( )( )

I.

I.

20N.r .

e t . 2 .2.R

.cos t

K. 2 .cos t.

= −

+ =

= − +

µ ω

ω ϕ

ω ω ϕ

Componentes electromagnéticas

Un captador CS está formado por cinco partes(figura 11 ):

n un arrollamiento primario constituido por unúnico conductor de cobre cuya sección vienedeterminada por:

o una corriente primaria de calentamiento,

o una corriente de cortocircuito asignada,

n un soporte del bobinado secundario,generalmente toroidal, y constituido por unmaterial no ferromagnético,

n un arrollamiento secundario, bobinado sobreel soporte,

n una resistencia de ajuste conectada alarrollamiento secundario,

n un blindaje magnético que protege la bobinade las posibles perturbaciones debidas acampos magnéticos exteriores al captador.

Componentes dieléctricos

n aislamiento dieléctrico

Como para los transformadores de corriente, elprimario y el secundario de un captador CSestán aislados el uno del otro mediante unaresina dieléctrica sólida en AT-A.

n pantalla dieléctrica

Con el objeto de mejorar el comportamientofrente a la CEM del sistema, se coloca unapantalla dieléctrica conectada a masa entre elprimario y el bobinado secundario.

ahora representaremos como CS) se hadesarrollado a partir de 1986 para su aplicaciónindustrial en redes AT-A.


Modelización

De la misma manera que con los TC, para elestudio del funcionamiento de un CS es prácticodiseñar y explotar un modelo. El modelopropuesto a continuación sólo es aplicable afrecuencias industriales. En el caso defrecuencias elevadas (varios centenares dekHz) hay que añadir las capacidades repartidasdel bobinado secundario así como las diferentescapacidades de acoplamiento primario-secundario, primario-masa y secundario-masa.

Esquema equivalente

Se pueden diseñar dos esquemas equivalentes:

n el primero (figura 12 ) se inspira en el delos TC por la presencia de un transformadorideal, con:

o L = valor de la inductancia del cableado deconexión del captador a su carga M,

o Lf es la inductancia de fuga del bobinado. Elarrollamiento secundario de los captadores CStiene sus espiras contiguas muy bien repartidassobre el soporte. Por tanto, su inductancia defuga, de muy bajo valor, puede despreciarse.

o L1 . ω = impedancia magnetizante delgenerador de corriente equivalente,

o Rt = suma de las resistencias del bobinado yde conexión,

o Ra = resistencia de ajuste,

o Zc = impedancia de la carga M a la frecuenciaconsiderada,

n El segundo (figura 13 ) incluye un generadorde tensión que se deriva del estudio teórico. Eseste esquema el que se seguirá a partir de aquí.

En el esquema equivalente:

( ) ( )I.0E t K. K. 2 .cos t.= − = − +ω ω ϕ

o E0(t) es una fuente de tensión proporcional ala corriente primaria. Está defasada en retardoπ/2 respecto a la corriente i(t), con

20N.r .

K2.R

= µ,

donde

o el producto K.ω representa la razón detransformación, y se expresa en voltios poramperio (V/A).

arrollamiento secundario

soporte del bobinadosecundario

blindaje magnético

arrollamientoprimario

pantalladieléctrica

aislamientodieléctrico

resistenciade ajuste

N1 N2

L1

L L f R t R a

Z c

i2 = N1. I1 / N2

I1

Fig. 11: Corte de un captador CS para AT-A.

Fig. 12: Circuito equivalente de tipo TC de un captador CS.


4.2 Normalización

Hasta este momento no hay ninguna normainternacional o nacional que regule este tipo decaptador. Así, los captadores CS actualmentecomercializados satisfacen la norma CEI 185salvo para los parámetros que se refieren a laseñal secundaria que alimenta unidades deprotección y de control-mando perfectamenteespecificadas. Estas unidades, con tecnologíabasada en el uso de microprocesadores,mediante una configuración simple hecha con un

teclado o un display, permiten realizar unconjunto de funciones (protección, medida,automatismo y comunicación) adaptadas a cadainstalación.

Nota:Actualmente estos captadores CS y lasunidades de protección y control-mando SEPAMestán diseñadas y comercializadas por un únicoconstructor (Merlin Gerin).

4.3 Funcionamiento en régimen permanente y transitorio

Puesto que los captadores CS no tienen circuitomagnético, no están sometidos a los fenómenosde saturación y flujo remanente. Por este motivoson perfectamente lineales, dando en elsecundario una imagen casi perfecta del primariotanto en régimen permanente como en transitoriodel primario.

Las tolerancias de fabricación de lasdimensiones del soporte del bobinado y denúmero de espiras (varios miles) se compensanmediante una resistencia (Ra) de ajuste.

I1 E0

U

i2 (Ra + Rt) i2

L . . i2

Ecuaciones

El diagrama vectorial (figura 14 ) se establece apartir del esquema equivalente de la figura 13 .Este diagrama permite obtener las relacionessiguientes:

U(t) = E0 (t) - (Ra + Rt + jL . ω) i2(t)

con

i2( t) = U(t) /Zc.

Fig. 14: Diagrama vectorial de un captador CS.

L R t R a

Z c

L f

UEo

Fig. 13: Esquema equivalente con generador de tensión de un captador CS.


Análisis de errores

n error de relación y de fase

La imagen perfecta de la corriente primaria paraun captador CS es el vector E defasado π/2 enretardo respecto a la corriente I1; es decir, enfase con E0 sobre la figura 15 . El módulo deeste vector viene dado por la expresiónE = K1 . I1 constante que representa la razón detransformación a una frecuencia dada.

Como todos los captadores, la señal secundariade los captadores CS está afectada por unerror. Este error que se define como el vectorque representa la diferencia de los vectoresE y U, corresponde al vector εnet en el diagramade la figura 15 .

Este error queda minimizado, al final del procesode fabricación, mediante el ajuste delpotenciómetro Ra a un valor que da un vector deerror ( )regε

r

mínimo. Este ajuste del captador seadapta a las entradas de corriente de lasunidades de protección y de control-mando paralas que ha sido diseñado. El valor máximo deeste vector error se ha fijado en el 1% del valordel vector de referencia para toda la corrienteprimaria comprendida entre 0,2 y 10 veces lacorriente primaria asignada, y en el 5% para unacorriente de 200 veces la corriente primariaasignada.

Con estos errores máximos los captadores CSde una misma relación de transformación sonperfectamente intercambiables y sonprácticamente idénticos en términos deprecisión (figura 16 ) con los TC de clase:

o 0,5 para la medida,

o 5P para la protección.

I1

E

E0

U

i(t)

L . . i(t)

(reg) (nat)

Ra . i(t) Rt . i(t)

A

(reg)

(nat)

(reg) mínimoreglage óptimo =

= error natural (de fabricación)

= error después del ajuste

= margen de ajuste dependiente de Ra

Fig. 15: Diagrama vectorial, con error, de un captador CS.

n linealidad

El captador CS es lineal:

( ) ( )I.e t K. . 2 .cos t= + ∅ω ω

Esta linealidad le proporciona muchas ventajas,especialmente:

o la posibilidad de reducir la variedad de razonesde transformación y así favorecer lasposibilidades de estandarización. Las razones detransformación vienen impuestas por la dinámicade la electrónica de la unidad de mando-control ala que el captador está asociado y por el nivel dediscriminación requerido,

o una buena respuesta en régimen transitorio.La ausencia de saturación, de histéresis y deflujo remanente permite a estos captadorestener una respuesta perfecta en régimentransitorio. Así, este tipo de captador se instala,sin precaución especial, en las redes en las quees necesario que las protecciones intervenganrápidamente durante los regímenes transitorios,especialmente en redes con una constante detiempo larga o que tienen materiales de tipoblindado con aislamiento gaseoso (que tienenriesgo de explosión).

Influencias externas

En ciertas condiciones, la respuesta de estoscaptadores CS, como la de los TC, puede serinfluenciada por el entorno.

n una modificación de la carga secundaria deeste tipo de captador implica una variación delerror. Para atenuar estas variaciones, puestoque un CS es una fuente de tensión, hace faltaque su carga puramente resistiva sea lo máselevada posible (≥ 10 kΩ).


A

30'60'

0,5%

0 1%

0

= vector (reg)

clase 1clase 0,5clase CSp

A

Fig. 16: Comparación de las precisiones de los captadores TC y CS.El punto A sitúa el funcionamiento de un captador CS que cumple a la vez las exigencias de precisión de los TCde clase 0,5 y de los TC de clase 1.

n la frecuencia

La señal entregada por este tipo de captador esuna función de la derivada de la intensidadprimaria (ver principio físico). Para evitar lainfluencia de la frecuencia, hace falta que la delcaptador CS sea tratada por un amplificadorintegrador de precisión.

n posición del conductor primario

El teorema de Ampère no hace referencia a laposición relativa de la corriente (conductorprimario) y del contorno cerrado (bobinadosecundario) a los que se aplica. Este comentarioindica que el captador es teóricamenteinsensible a la posición relativa de suscomponentes. Sin embargo, las imperfeccionesde construcción del bobinado secundario pueden

hacerlo ligeramente sensible. Por tanto, en lainstalación de captadores con primario nointegrado (BT), hay que conseguir un ajuste muyfino del centrado y del ángulo azimutal relativorelativo entre el primario y el secundario. Sinesta precaución se puede tener errores dehasta el 3%.

n posición de los conductores próximos

Un conductor cercano recorrido por unacorriente de otra fase o por una corriente deretorno a través de un bucle (figura 6 ) produceun campo magnético que se sumavectorialmente al creado por la corriente amedir, lo que modifica la respuesta del captador.Los captadores CS deben de estar protegidoscontra este tipo de perturbación.

4.4 Especificación de los captadores de intensidad con bobina Rogowski

Los captadores CS y las unidades de proteccióny control-mando los proporciona un mismoindustrial. La especificación del CS es por tantomuy simple para el cliente final. No tiene queespecificar, cómo debe de hacer con los TC, lascaracterísticas del secundario (corrientesecundaria, potencia de precisión, clase deprecisión y factor límite de precisión). Sólo lequeda precisar:

n el nivel de aislamiento del captador, definidocomo para un TC,

n la corriente de cortocircuito térmico asignada(Ith) y la corriente dinámica Idyn) establecidassegún las mismas reglas que en los TC,

n la gama de valores de utilización (corrienteprimaria asignada y corriente de calentamiento).Por ejemplo, hay cuatro márgenes de utilización(30-300, 160-630, 160-1600, 500-2500 A) conlos CS fabricados por Merlin Gerin.

4.5 Comportamiento frente a la CEM

El captador CS tiene una baja capacidad deconexión primario-secundario (≈ 20 pFen AT-A).La presencia de pantallas, dieléctrica ymagnética, puestas al potencial de masa, impide

la transmisión de perturbaciones conducidas (apartir de la red primaria MT) y radiadas. Portanto, el conjunto CS, unidad de protección y decontrol-mado tiene un buen comportamiento encuanto a la CEM.


5 Captadores híbridos

Las señales proporcionadas por los TC y los CSse utilizan directamente en las unidades deprotección y de control-mando. Hay otroscaptadores de corriente cuya señal, antes deser utilizada por estas unidades, debe de sertratada electrónicamente: éstos son loscaptadores híbridos. Todos ellos tienen undiagrama semejante al de la figura 17 .

Diagrama

Estos captadores pueden tener hasta 6elementos:

n elemento sensible primario

Utiliza los diversos efectos (óptico, electrónico yeléctrico) de los materiales sometidos al campomagnético que crea la corriente que hay quemedir.

n convertidor primario

Convierte el efecto utilizado por el elementosensible en una señal que es función de lacorriente primaria y la adapta al sistema detransmisión.

n sistema de transmisión

Transporta a una distancia más o menos grandela señal emitida por el convertidor primario.

n convertidor secundario

Transforma esta señal, representativa de lacorriente primaria, en una señal eléctricautilizable por las unidades de protección y decontrol-mando.

n alimentación primaria

Proporciona la energía necesaria para elelemento sensible, para el convertidor primario yeventualmente para el sistema de transmisión.

n alimentación secundaria

Proporciona la energía al convertidor secundarioy eventualmente al sistema de transmisión.

En ciertos captadores, estas dos alimentaciones,primaria y secundaria, son una sola.

Los elementos sensibles

Durante estos últimos años, se han aplicadoimportantes programas de desarrollo a loscaptadores híbridos. En los elementos sensiblesprimarios se han aplicado diversos efectos delcampo magnético y especialmente:

n óptico

Utilización de los efectos del campo magnéticosobre las características de la luz (captadoróptico de corriente). La óptica puede utilizarseúnicamente como sistema de transmisión apartir de un elemento primario sensible decualquier tipo. Esta transmisión se hacemediante fibra óptica. La utilización dedispositivos que siguen la física de la luz(elemento sensible y sistema de transmisión)confiere al captador un aislamiento galvánicoperfecto. Esta ventaja ha sido utilizada enmuchos programas de investigación, algunos delos cuales han conducido a un captador decorriente de efecto Faraday.

n electrónica

Influencia de un campo magnético sobre unsemiconductor (captador de corriente de efectoHall) y sobre un material ferromagnético(variación de la resistividad utilizada en loscaptadores de corriente magneto-resistentes).

n eléctrica

El flujo creado en un circuito magnético por elcampo magnético resultante de la corriente amedir es anulado por el flujo magnéticoprovocado y regulado con la ayuda de unacorriente auxiliar (transformador de corriente deflujo nulo).

I elementosensibleprimario

convertidorprimario

sistema detransmisión

convertidorsecundario

alimentaciónprimaria

alimentaciónsecundaria

corrienteprimaria

señalsecundaria(i o u)

Fig. 17: Diagrama de los captadores híbridos.


5.1 Captadores ópticos de efecto Faraday

Para entender lo que sigue es necesariorecordar algunos detalles de la física de la luz.

Repaso

n polarización

Es un fenómeno propio de la propagación de lasondas, en especial las luminosas,caracterizadas por la dirección de vibración enun plano determinado, llamado plano depropagación, que contiene la dirección depropagación. Cuando este plano conserva unadirección fija en el tiempo, las ondas luminosastienen una polarización lineal. Si gira alrededorde la dirección de propagación a una velocidadconstante, la polarización es elíptica o, enciertos casos, circular.

n birrefringencia

Ciertas sustancias naturales poseen la cualidadde la birrefringencia. Esta cualidad consiste enque una luz plana que los atraviesa no sepropaga a la misma velocidad según que suplano de polarización sea paralelo a una u otrade las dos direcciones perpendiculares propiasdel cuerpo birrefringente. La birrefringenciapuede ser intrínseca (materiales anisótropos) oinducida por una causa:

o mecánica o efecto foto-elástico,

o eléctrica o efecto electro-óptico de Kerr oPockels,

o magnética o efecto magneto-óptico de Faraday.

Efecto Faraday

En 1 845 Michael Faraday descubrió que el planode polarización de una luz polarizada gira alatravesar un trozo de cristal situado en un campomagnético y se propaga paralelo a este campo.El ángulo (F) de rotación de la polarización esproporcional a la circulación del campo magnético(H) y de la longitud del recorrido óptico (L)(figura 18 ).

F V. H.dL= ∫En esta ecuación V es una característica delmedio óptico. Es la llamada constante de Verdet.Normalmente es pequeña y depende, en más omenos grado, de la temperatura. Puesto que elefecto Faraday es dispersivo, hay que utilizar unaluz monocromática (de frecuencia única).

En la práctica

Este efecto se aplica con cristales o fibrasópticas; en los dos casos es necesario teneruna fuente luminosa y tratar la informaciónóptica para poder hacerla útil para las unidadesde protección y de control-mando.

n fuente luminosa

Normalmente es un diodo láser, monomodo, deuna longitud de onda de unos 780 nanometros,siendo la constante de Verdet máxima en estaparte del espectro de longitudes de onda.

medio ópticocon efecto Faraday

luz incidentepolarización lineal

F

L

H

campomagnético

ángulo de rotaciónde un plano depolarización

luz transmitidapolarización lineal

Fig. 18: Representación gráfica del efecto Faraday.


n cristal óptico

Es posible utilizar uno o varios cristales querodeen más o menos el conductor por el quecircula la corriente a medir (figura 19a ). En laconfiguración de campo óptico libre, que esgeneralmente el caso con cristales, losproblemas de alineación mecánico-óptica sonespecialmente importantes.

n fibra óptica

La técnica de óptica guiada utiliza comoelemento sensible una fibra óptica monomodoque puede dar varias vueltas alrededor delconductor primario (figura 19b ). En este caso laaplicación del teorema de Ampère permiteescribir:

F = V.N.IEsta técnica permite conseguir una sensibilidadmuy grande.

I

F2

F3

F1

L

SSP

L

L

L

conexiónmonomodo

PR LSR

diodoláser

P

P P

electrónico

4 cristales que constituyenel elemento sensible

conductorprimario

polarizador

analizador

lentes

conectoresde fibra óptica

Fig. 19: Captadores de corriente de efecto Faraday.

Los captadores de fibra óptica no son sensiblesa las corrientes exteriores (conductores deretorno, otras fases, otros circuitos); en cambio,los captadores con cristales ópticos son más omenos sensibles, según su tecnología defabricación.

Por el contrario, las características ópticas delelemento sensible (cristal o fibra) resultanparticularmente afectadas por las variaciones detemperatura y los esfuerzos mecánicos.

n conversión de la señal óptica en eléctrica

Esta conversión se hace comparando los rayosluminosos emitidos y recibidos. Utilizageneralmente prismas polarizadores-separadores asociados a fotodiodos quetransforman la señal luminosa en señal eléctricaanalógica. A continuación, ésta última es trataday amplificada para que pueda ser utilizable porlas unidades de protección y control-mando.

a: vista de detalle de un captador de cristal óptico b: esquema de un captador de fibra óptica

LSR superficie semi-reflectanteL lentes SelfocF1 fibra óptica para mantener la polarizaciónF2 sensor de fibraF3 fibras ópticas multimodoI corriente a medirSSP sistema separador/polarizador a 45°P fotodiodosPR fotodiodos de referencia


Precisión

Los captadores ópticos (de fibra o de cristal)son sensibles a las condiciones exteriores(temperatura, fuente de energía auxiliar). Portanto, su precisión queda afectada.

n influencia de la temperatura

La temperatura Influye sobre tres parámetros:

o la constante de Verdet V,

o la birrefringencia del medio óptico,

o la longitud de onda de la luz emitida por eldiodo láser.

Para funcionar en las condiciones que seencuentran en las redes eléctricas, loscaptadores ópticos deben de estarcompensados en temperatura (anexo 3 [5]).Esta compensación puede hacerse:

o por acción permanente sobre el elementoóptico sensible (doble torsión de la fibra,recorrido de ida y vuelta de la luz a través de lafibra, compensación térmica del cristal, etc. ...),

o manteniendo el diodo láser a una temperaturacompatible con la precisión que se pretende,

o valorando la temperatura real de cadaelemento en el proceso de adaptación de laseñal de salida.

n influencia de los esfuerzos mecánicos

El cristal o la fibra óptica deben de tener un valormuy bajo de birrefringencia para no modificar lapolarización de la luz en ausencia de campomagnético. Los esfuerzos mecánicos sobre elcristal o la fibra, debidos tanto a las variacionesde temperatura como a la instalación yexplotación, no deben modificar esta tasa debirrefringencia.

n influencia de la electrónica de conversión deseñal

El cristal y la fibra óptica son perfectamentelineales. Por el contrario, la electrónica deproceso de la señal está limitada en sufuncionamiento, por una precisión determinadapor:

o su banda pasante,

o su aptitud para detectar el ángulo de rotacióndel plano de polarización hasta 2.π, aunque lastécnicas digitales de proceso de la señalpermiten corregir este punto,

o las tensiones de alimentación de loscomponentes que constituyen el o losconvertidores primarios y secundarios.

A pesar de todas estas dificultades, las técnicasactuales permiten fabricar captadores ópticosde corriente con una precisión comparable a lade los TC (figura 20 ).

a: de la gama de AT-A (Merlin Gerin):n en primer plano, captador óptico con su conductorde fibra óptica enrollado,n en según plano, un captador TC convencionalequivalente, pero más voluminoso.

b: de la gama de AT-B (Square D):n en primer plano, un TC convencional,n en según plano, un captador óptico equivalente,pero menos voluminoso.

Fig. 20: Ejemplos de captadores ópticos.


Comportamiento frente a la CEM

Puesto que el aislamiento galvánico entre loscircuitos (primario y secundario) es perfecto (sincapacidad de conexión) el comportamientofrente a la CEM (perturbaciones conducidas) deestos captadores es buena. Pero estecomportamiento puede verse afectado por el de

5.2 Captadores de efecto Hall

Efecto Hall

Una plaquita semiconductora recorrida por unacorriente y colocada dentro de un campomagnético B

ur

desarrolla entre sus dos caras una

diferencia de potencial, llamada de efecto HallVH, que responde a la relación:

VH = K.i.B

donde K es el coeficiente de sensibilidad delcaptador.

Esta plaquita constituye el elemento sensible delcaptador de corriente de efecto Hall.

Principio

La explicación del fenómeno de Hall supone queen una plaquita larga (figura 21 ) provista deunos electrodos largos de inyección decorriente, i, todos los electrones sufren undesplazamiento uniforme a la velocidad V ensentido inverso a la corriente i. Cuando se aplicaun campo magnético B

ur

perpendicularmente a

una de las caras grandes de la plaquita, loselectrones de carga -e son desviados hacia unade las caras pequeñas contra la que seacumulan bajo la acción de las fuerzas deLaplace.

F e.V B= − ∧r ur ur

El desequilibrio de cargas entre las dos caraspequeñas hace aparecer un campo eléctrico de

Hall HEuur

, que crece hasta que la fuerza ( )He.E−uur

se equilibra con la del campo magnético.

- e . v ^ B

E H- e .

V H

E H

v

d

i

Fig. 21: Esquema teórico del captador de efecto Hall.

En estas condiciones, los electrones vuelven atener un movimiento uniforme y el campoeléctrico de Hall se expresa:

( )HB . j

EN.e

−=uur r

uur

donde:

N es el número de portadores de carga (-e) y jr

la densidad de corriente en la plaquita,

y por tanto, la tensión de efecto Hall:

( )HK.i .B

VN.e.d

=r ur

uur

En la práctica

Una solución práctica para mejorar lasensibilidad del captador es aumentar B

ur

. Para

conseguirlo el generador de Hall se coloca en elentrehierro de un núcleo magnético recorridopor el flujo de inducción debido al campomagnético creado por la corriente a medir(figura 5 ). La alimentación en corriente y elproceso de la señal se hace mediantecomponentes electrónicos.

Precisión

La respuesta de un captador de efecto Hall noes perfectamente proporcional a B por tresfactores:

o la tensión de offset,

o el error de linealidad,

o la fluctuación debida a la temperatura.

n la tensión de offset

Es una tensión de error ligada a la propiaconstrucción del elemento sensible. Puedecorregirse, para un margen de temperaturadado, mediante un convertidor secundario.

n error de linealidad

La presencia de un circuito magnético, inclusocon un entrehierro relativamente importante,

los convertidores primario y secundariosensibles a las perturbaciones radiadas(blindajes, posiciones relativas, etc). Nótese queeste aislamiento galvánico perfecto es, encuanto a seguridad, una ventaja mayor para estetipo de captadores: suprime los riesgos deexplosión que existe en AT-B con los TC conaislamiento de aceite.


introduce una no linealidad debida a fenómenosde saturación. La dinámica de este captadordepende de las dimensiones del circuitomagnético.

n fluctuación debida a la temperatura

La temperatura influye de dos maneras:

o por el coeficiente de sensibilidad K que varíaalrededor de 0,01% por oC,

o por los esfuerzos mecánicos que sufre elelemento sensible debido a las variaciones detemperatura.

La fabricación de un captador debe de tenerpresentes todas estas influencias y probar loscomponentes para tener y garantizar, en lascondiciones de utilización especificadas, unaprecisión compatible con la aplicación prevista(medida, protección o las dos). De ahí elesquema funcional de la electrónica necesaria

I

i

generador de corriente constante

alimentaciones

Bsonda

amplificador diferencialy estabilizador del

coeficiente de sensibilidad en temperatura

amplificador+

filtro

circuito de compensaciónde la inducciónresidual

termistancias

circuito de compensaciónde los esfuerzosmecánicos

Uh = K . I

para que este captador funcione correctamente(figura 22 ).

La banda pasante de estos captadores esrelativamente ancha. Es posible medir corrientescontinuas y corrientes alternas que tenganfrecuencias del orden de 40 kHz. El ancho de labanda pasante de este tipo de captador dependede la tecnología del circuito magnético, de loscomponentes electrónicos y de la arquitecturautilizada para el tratamiento o proceso de laseñal.

Comportamiento frente a la CEM

Sobre todo en AT, la ausencia de aislamientogalvánico entre el captador y los elementoselectrónicos es un handicap importante. Portanto, la CEM del conjunto (captador de efectoHall, unidad de protección y de control-mando)puede no ser perfecta.

Fig. 22: Esquema funcional de la parte electrónica de un captador de efecto Hall.


5.3 Captador de corriente de flujo nulo

Principio

El elemento sensible es un circuito magnético(CM) (figura 4 ) en el que el flujo creado por lacorriente a medir (I1) es anulado por la corriente(I1), cuyo valor es ajustado automáticamente porun amplificador electrónico de potencia (A)pilotado por la tensión de la sonda (SD)proporcional al flujo que circula por el núcleomagnético (CM). El flujo resultante en estenúcleo es nulo, y por tanto es posible escribir:

I2 = N1 . I1 / N2

siendo:

N1 = número de espiras del arrollamientoprimario,

N2 = número espiras del arrollamientosecundario.

Precisión

La precisión de este sistema es muy buena. Lasmesas de prueba de medida de errores de lostransformadores de corriente utilizan esteprincipio. Es posible limitar el error de módulo avalores muy bajos (≈ 0,02%). Igualmente para elerror de fase, que puede llegar a ser inferior a0,1 minutos de ángulo (pero que depende de loscircuitos electrónicos de anulación de flujo). Lasprestaciones de un captador de este tipodependen esencialmente de las prestaciones delamplificador tanto en cuanto a su margen demedida como a su precisión.

Nota:Los transformadores de corriente de flujo nulopermiten medir corriente continua.

Comportamiento CEM

La señal de anulación del flujo casi a cero esfácilmente perturbable. Este tipo de TC debe dedisponer de un entorno electromagnético muyprotegido (pantallas, filtro de lasalimentaciones, ...).


6 Tabla comparativa. Síntesis

n malo TC CS captadores transformadorn medio transformador captador con ópticos de corriente den n n bueno de corriente bobina flujo nulon n n n muy bueno convencional Rogowski

prestaciones:n linealidad n n n n n n n n n n n nn fidelidad n n n n n n n n n n nn dinámica n n n n n n n n n n nn precisión n n n n n n n n n n n n nn CEM n n n n n n n n n n n n

aptitudes:n patrón de medida n n n n n n n n n nn proporcionar energía a los equipos n n n n n n n nde protección y de control-mandon proporcionar la señal para medida a:o contadores de energía analógicos n n n n n n no contadores de energía digitales n n n n n n n n n no equipos digitales de protección y n n n n n n n n n n nde control-mando

coste relativo respecto alde la aparamenta:n en AT-A n n n n n n n n n nn en AT-B n n n n n n n n n

importancia de los captadoresinstalados al año:n situación actual n n n n n n n n nn evolución previsible n n n n n n n n n


7 Conclusión y futuro

7.1 Soluciones actuales

Actualmente, la mayor parte de los equipos deprotección y de control-mando en servicioutilizan tecnología electromagnética oelectrónica. Necesitan señales de potenciasuficiente (≈ 5 a 50 VA) para captadores decorriente normalmente situadosaproximadamente entre 2 y 150 m.

En los equipos de AT, son los transformadoresconvencionales de corriente los queproporcionan esta energía.

Sin embargo, en AT-A hay varios centenares deunidades digitales de protección y de control-mando digitales en funcionamiento. La mayorparte, capaces de tratar señales de bajo valorenergético, están asociadas a captadores CS.En AT-B se están probando captadores deefecto Faraday con cristales y fibras ópticas.Los TC de flujo nulo se utilizan sobre todo enbancos de control y en las redes de transporteen corriente continua.

La rapidísima evolución de los sistemas deprotección y de control-mando hacia tecnologíadigital ha llevado desde hace tiempo amodificaciones importantes de lasespecificaciones de los captadores. Estasespecificaciones favorecen la CEM, la linealidady los márgenes de utilización de los captadores.

n CEM

Está ligada a la utilización cada vez másextendida de las tecnologías electrónicas. Eneste campo, el captador óptico presenta uncomportamiento ideal.

n linealidad

Los TC lineales (tipo TPZ) suelen servoluminosos (presencia de entrehierro) y sulinealidad no es perfecta. Al producirse undefecto, sobrecargan mucho térmicamente a losequipos a los que están conectados. El captadorCS, puesto que tiene una linealidad perfecta,tiene prestaciones óptimas en este aspecto.

n margen de utilización

Un TC tiene un margen de utilización muyreducido que limita su utilización a una solaaplicación. Por el contrario, los captadoresópticos y CS, cuyo margen de utilización es másamplio (≈ 10 veces) tienen unas posibilidades deempleo más amplias, sólo limitadas por losequipos a los que están conectados.

7.2 Soluciones futuras

Por tanto, los captadores ópticos y CS son losmejores en cuanto a sus nuevas exigenciastécnicas. Un captador híbrido que utilice unabobina Rogowski como elemento sensible y fibraóptica como elemento de transmisión podría serla solución ideal.

En AT-A, esta solución todavía no es utilizable.Por el contrario, la solución CS, por su coste ypor las ventajas que proporciona es una soluciónactual y para el futuro.

En AT-B la utilización de estos nuevoscaptadores depende del desarrollo desoluciones digitales para las unidades deprotección y de control-mando o de la creaciónde interfaces digitales para las unidadesexistentes. En cuanto estos equipos esténdisponibles, la evolución de estos captadoresserá muy rápida. Esta evolución ha empezado:ya se han propuesto sistemas o «todo óptico» osiguiendo la solución ideal antes propuesta.

Por tanto, a medio plazo, en AT, los TCconvencionales, cuyas prestaciones estánlimitadas y cuyo coste es relativamente elevado,están llamados a desaparecer, excepto losdestinados a los contadores de energía eléctricapara su facturación.


Anexo 1: Precisión de los TC según la CEI 185

Valores de corriente error de corriente (±) en % defasaje I2 / I1 (±)expresados en % de minutos centirradianesla corriente asignada → 5 20 100 120 5 20 100 120 5 20 100 120

clase de precisión

0,1 0.4 0.2 0.1 0.1 15 8 5 5 0.45 0.24 0.15 0.150,2 0.75 0.35 0.2 0.2 30 15 10 10 0.9 0.45 0.3 0.30,5 1.5 0.75 0.5 0.5 90 45 30 30 2.7 1.35 0.9 0.91,0 3.0 1.5 1.0 1.0 180 90 60 60 5.4 2.7 1.8 1.8

Límites de error para los secundarios «de medida»

clase error de relación defasaje error compuestode precisión para las corrientes comprendidas para la corriente nominal para la corriente límite de precisión

entre In y 2In, en % minutos centirradianes en %5P ± 1 ± 60 ± 1.8 510P ± 3 10

Límites de error para los secundarios «de protección»


En la tabla adjunta se indican las diversas clasesde transformadores de corriente paraprotección, según sus prestaciones, definidaspor la CEI 44-6.

Anexo 2: Clasificación de los TC según la CEI 44-6

Clase Prestaciones

P Límite de precisión definido por el error compuesto µ( )cε para una determinada corrienteprimaria simétrica en régimen permanente.Sin límite para el magnetismo remanente.Es también la clase del secundario de protección definido en la CEI 185.

TPS TC con un bajo valor de fugas de flujo, cuyas prestaciones quedan definidas por los límitesfijados por las características de excitación del arrollamiento secundario y por el error en larazón del número de espiras.Sin límite en cuanto al magnetismo remanente.Esta clase es similar a la clase X definida por la norma BS 3938.

TPX Límite de precisión definido por el pico de error instantáneo µ( )ε durante el ciclo defuncionamiento en un régimen transitorio específico.Sin límite para el magnetismo remanente.

TPY Límite de precisión definido por el pico de error instantáneo µ( )ε durante el ciclo defuncionamiento en un régimen transitorio específico.El magnetismo remanente no debe de exceder del 10 % del flujo de saturación.

TPZ Límite de precisión definida por el pico instantáneo de la componente alterna de la corriente·( )caε durante un único paso de la corriente que presenta la componente aperiódica

máxima, teniendo la constante de tiempo del bucle secundario un valor específico. Sinninguna exigencia en cuanto al error límite sobre la componente aperiódica de la corriente.El magnetismo remanente debe de ser despreciable.

[1] Techniques de l'ingénieur:Transformateurs de mesure. D 4720 12-1990,D 4722 12-1990, D 4724 3-1991, R1016 10-1992.

[2] CEI 44-6: Primera edición 1992-03:Transformadores de medida.Parte 6: Prescripciones que se refieren a lostransformadores de corriente para protección,para respuesta en régimen transitorio.

[3] CEI 185: Segunda edición 1987 y sumodificación 1 1990-07: Transformadores decorriente.

Bibliografía

[4] Méthode rapide de prédétermination destransformateurs de courant. PierreSCHUELLER (Merlin Gerin) pág. 41 a 45, RGEnº 4, Abril 1990.

[5] Techniques de l'ingénieur: Capteurs decourant à fibres optiques. R 1016 10-1992.

[6] La CEM: la compatibilidad electromagnética.Cuaderno Técnico nº 149. F. VAILLANT.

[7] El transformador de corriente para laprotección en AT. Cuaderno Técnico nº 164. M.ORLHAC.

cuaderno técnico nº 170 -...

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