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Medida y registro de magnitudes eléctricas

Para estudiar cualquier red eléctrica, resulta esencial disponer de instrumentos capaces de medir y registrar sus principales parámetros. En efecto, la medida es necesaria para que el operador pueda conocer el estado del sistema eléctrico, controlar la calidad del suministro, cuantificar la energía consumida y monitorear las puntas de consumo, entre otras tareas.

Actualmente, la gama de instrumentos industriales disponibles va desde los clásicos indicadores “de aguja”, pasando por los modelos digitales, hasta llegar a analizadores más sofisticados que permiten no solo medir, sino también registrar datos de tensión, corriente y consumo, así como capturar determinadas perturbaciones con sistemas de disparo (trigger), las que son prestaciones fundamentales para disponer de datos al diagnosticar un problema.
 
Para este tipo de instrumentos, los requerimientos fundamentales son: medir con una precisión aceptable, con frecuencias de muestreo relativamente bajas; medir los seis canales del sistema de alimentación industrial (tres tensiones y tres corrientes); y calcular parámetros básicos (como potencia activa y reactiva, factores de desequilibrio, armónicos, flicker, etc.).

Además, es muy importante el registro de todos los parámetros, lo que permite guardar históricos y ver el comportamiento del sistema eléctrico a posteriori sin estar pendiente de los instrumentos de medida. No obstante, esta capacidad implica un problema por la gran cantidad de datos que un instrumento puede entregar. En este sentido, para el tratamiento de dicha información, resulta indispensable que los instrumentos dispongan de comunicación con un PC y contar con software que permita presentar los datos de forma condensada para el operador (por ejemplo, gráficos, alarmas, etc.). Asimismo, en ocasiones, es deseable que el propio instrumento sea capaz de dar órdenes de conexión o desconexión de determinados interruptores, bajo condiciones de alarma, o en ciertas condiciones de funcionamiento.

Los sensores de medida, generalmente transformadores o divisores de tensión, constituyen la interfaz entre el aparato de medida y el sistema a medir. Por ejemplo, un buen aparato de medida perderá sus prestaciones si la medida de corriente se hace a través de un transformador con un gran error de ángulo. Por ello, dedicaremos un apartado al estudio de los transformadores de corriente.

Figura 1.


Transformadores de corriente
 
La medida de corriente en la red suele hacerse siempre mediante transformadores o mediante shunt. La figura 1 muestra el esquema de medida en ambos casos. No obstante, los shunt suelen aplicarse más a la medida de corriente continua, mientras que los transformadores de corriente son más habituales en redes de corriente alterna.

Según su aplicación, los transformadores de corriente pueden ser de dos tipos:

a) Transformadores de medida, cuyo objetivo principal es dar señal a un instrumento de medida, con la máxima precisión, dentro de un determinado rango de valores.

b) Transformadores de protección, cuyo principal objetivo es poder utilizar la corriente detectada para accionar un relé o dispositivo de protección.

En los transformadores de medida, el objetivo principal que se persigue es la precisión dentro de un rango de medida, tanto en la relación de corrientes de primario/secundario, como en el desfase entre ambas, que debería ser, idealmente, nulo. Fuera del rango de medida, rápidamente se pierden las características de precisión y es incluso beneficioso que el transformador sature y limite la salida, cuando la corriente primaria crece muy por encima de la nominal.

En los de protección, en cambio, la característica principal es que deben mantener una precisión aceptable en condiciones de fuerte sobrecarga, ya que deberán dar orden de disparo a los relés en dichas condiciones. Así pues, no debe saturar hasta valores que pueden ir entre 5 y 20 veces la corriente nominal.

Designación de los transformadores de medida: Los transformadores de medida se suelen designar por la “clase de precisión” (o abreviadamente “clase”) y la potencia. La “clase” es un parámetro que cuantifica el error de medida.

? Designación de transformadores de protección: Estos se designan por unas siglas que identifican la precisión y el rango de medida. Dichas siglas son del tipo “ePm”, donde “e” indica el porcentaje de error compuesto (amplitud y fase según tabla 2); “P” indica que nos estamos refiriendo a un transformador de protección, y “m” es el “factor límite de protección” (indica el múltiplo de la corriente nominal al cual mantiene el error). Por ejemplo, un 5P10 indicaría un transformador de protección que da un 5% de error compuesto, a 10 veces la corriente nominal del primario.


Características de los transformadores de corriente

Las características fundamentales de un transformador de corriente vienen definidas por las normas IEC-60044-1 y son las siguientes:

Relación de transformación (Kn): Es la relación entre corriente de primario y corriente de secundario. Es aproximadamente igual a la relación entre las espiras de secundario y primario.

Podemos distinguir dos tipos de transformadores de medida: los de primario pasante (N1 =1) y los de primario bobinado (N1>1).



Lo más habitual es que el primario sea simplemente un cable o pletina pasante, pero por motivos de precisión, y sobre todo para corrientes bajas de primario, se utilizan a veces primarios bobinados.

En cuanto a la corriente del secundario, lo más habitual es que sea de 5A, a la nominal del primario. Así, la relación de transformación se suele dar de la forma In /5. Por ejemplo, 200/5 indicaría que cuando por el primario pasan 200A, por el secundario se obtendrían 5A.

Rango de medida: El conjunto de valores de corriente primaria, dentro de los cuales el instrumento mantiene su error (clase de precisión). Para transformadores de medida, se suele controlar el error entre un 5% y un 120% de la corriente nominal. Para transformadores de medida “clase S”, se controla entre 1% y 120% de la corriente nominal. Para transformadores de protección, en cambio, “K” se suele controlar a 5 veces la corriente nominal, o a 10 veces la corriente nominal.

Clase de Precisión (e%): Indica el error de medida de la relación primario/secundario, como un porcentaje dentro del rango de medida o de protección.




Las tablas 1 y 2 indican los límites de error según la clase de precisión.

Carga de Precisión (VA): Indica la potencia de salida que puede obtenerse manteniendo la precisión del transformador. En general, la precisión debe mantenerse para cargas entre el 25% y el 100% de la nominal. Para cargas fuera de este rango, se suele perder precisión.

Factor de Seguridad (Fs): Es la relación entre la corriente máxima medible en el primario I1s, y la corriente nominal In. El factor de seguridad se suele limitar a valores inferiores a 5, en el caso de transformadores de medida, con el fin de no dañar los instrumentos alimentados por el transformador. En cambio, puede tomar valores superiores a 20 para transformadores de protección, ya que interesa que en caso de fuertes sobrecargas, el transformador siga dando una medida relativamente precisa.

Corriente térmica y dinámica: Estos parámetros definen el comportamiento del transformador en caso de cortocircuito. La corriente térmica Ith, indica la máxima corriente y el tiempo admisibles para evitar dañar el transformador por el calentamiento, mientras que la corriente dinámica Idyn, es la máxima admisible para evitar dañar el transformador por los esfuerzos electromecánicos producidos por la corriente.

Aislamiento: Se define por la tensión admisible entre los circuitos primarios y secundarios. En general para transformadores de baja tensión (U < 720V), se ensaya a 3kV, 50 Hz, durante un minuto entre primario y secundario.

Clase térmica del aislamiento: Indica la temperatura máxima que puede alcanzar el punto más caliente del transformador. La temperatura interior máxima se obtiene sumando el incremento de temperatura del bobinado Tb, a la temperatura ambiente Ta. Esta debe ser inferior a la temperatura de clase térmica, que depende del tipo de materiales empleados. La tabla 3 indica las características de cada una de las clases de aislamiento.

Gama extendida: Indica el porcentaje por encima de la corriente nominal a la cual puede trabajar el transformador, manteniendo la clase de precisión y respetando la clase térmica. Los valores típicos son de 120%, 150%, y 200%.

En el próximo número continuaremos con los instrumentos analógicos, digitales y convertidores de procesos para medidas eléctricas.

Tabla 1. Errores en transformadores de medida.

Tabla 2. Errores en transformadores de protección.

Tabla 3. Temperaturas admisibles según clase térmica del aislamiento.

Artículo Gentileza de CLAS Ingeniería Eléctrica S.A. Mayor información solicitar al e-mail clasmail@clas.cl

Junio 2014
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