“SISTEMA DE UTILIZACIÓN PARA SUMINISTRO DE ENERGÍA A LA CLÍNICA
SANTA ROSA DEL SUR”
CALCULO DEL TRANSFORMADOR DE MEDIDA
1. GENERALIDADES
El transformador mixto de medida (con bobinados de tensión y corriente que se
conexionan en Media Tensión) que denominamos TRAFOMIX, requiere de un análisis
donde se determinarán las características de sus bobinados: 03 bobinados de tensión y
03 bobinados de corriente, conectados en estrella. El transformador de tensión se ha
seleccionado teniendo en cuenta:
2. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
Para la selección de los transformadores de corriente se debe determinar las corrientes
primarias y secundarias de acuerdo con la carga de diseño requerida.
a. Corriente primaria nominal
La corriente primaria nominal del transformador de corriente, se debe seleccionar de tal
forma que el valor de la corriente a plena carga, en el sistema eléctrico al cual está
conectado el transformador de corriente esté comprendido entre el 80 % de la corriente
nominal y la corriente nominal multiplicada por el factor de cargabilidad del TC, es decir:
0.8Ipn ≤ Ipc ≤ IpnFC
En donde:
- Ipc = es la corriente a plena carga del sistema eléctrico en el punto donde será
conectado el transformador de corriente.
- Ipn = es la corriente primaria nominal del transformador de corriente seleccionado.
- FC = es el factor de cargabilidad del TC
Nota: Cuando el factor de cargabilidad no está indicado en la placa (EXT), se debe
tomar como factor 1.2. Haciendo referencia a la corriente máxima garantizada en el
transformador.
La Tabla 1, definen la relación de transformación de los TC para mediciones indirectas
respectivamente. Estas tablas establecen la relación de transformación en función de
la carga instalada y la tensión en el punto de conexión de los TC.
Se permitirá la selección de un transformador de corriente donde Ipc esté por fuera del
rango anteriormente establecido, siempre y cuando se cuente con un informe de
calibración expedido por un laboratorio acreditado, que garantice la exactitud en dichos
valores y la seguridad para los equipos asociados a éste.
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Tabla 1
Relación de Transformación
de TC para mediciones indirectas
(NTC 5019 2007)
Circuitos de 13.2 KV
Capacidad instalada
Relació de los
(KVA)
TC
138 a 274
10/5
275 a 411
15/5
412 a 503
20/5
504 a 617
25/5
618 a 823
30/5
824 a 1029
40/5
1030 a 1234
50/5
1235 a 1554
60/5
1555 a 1829
75/5
1830 a 2743
100/5
2744 a 4115
150/5
4116 a 5154
200/5
NOTA: Los rangos de capacidad instalada han sido definidos considerando un factor de
cargabilidad para el TC del 120 %. Para el caso de rangos de carga no contemplados
en la tabla, puede especificarse TC de acuerdo al diseño y la disponibilidad comercial
de las relaciones de transformación, siempre y cuando la relación de transformación
seleccionada cumpla con lo exigido en el presente numeral.
Los valores normalizados para la corriente nominal primaria son:
10 – 12.5 – 15 – 20 – 25 – 30 – 40 – 50 – 60 – 75 A
Y sus múltiplos decimales o fracciones
Para analizar los bobinados de corriente y su relación de transformación se deberá
considerar:
b. Corriente secundaria nominal
El valor normalizado de corriente secundaria nominal es 5 A. En casos especiales se
permite instalación de TCs con corriente nominal secundaria de 1 A.
c. Clase de exactitud
Las clases de exactitud normalizadas para los transformadores de corriente para
medición son:
0.1– 0.2 – 0.2S – 0.5 – 0.5S – 1
Para los transformadores de corriente para medición, la clase de exactitud se designa
con el porcentaje más alto permisible del error de relación (ε) a corriente primaria
nominal y carga nominal.
Para las clases 0,1 – 0,2 – 0,5 y 1, el error de relación y el desplazamiento de fase a la
frecuencia nominal no debe exceder los valores presentados en la Tabla 2 cuando la
carga (burden) pueda asumir cualquier valor entre el 25% y el 100% de la carga nominal.
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Tabla 2
Límite de error de relación y el desplazamiento de fase para transformadores
de corriente para medición (clase 0.1 a 1)
(Norma NTC 2205 de 2013)
Desplazamientos de fase
Error ± %
Clase de
± Minutos
± centiradianes
exactitud A corriente (% de la nominal) A corriente (% de la nominal) A corriente (% de la nominal)
5
20
100
120
5
20
100
120
5
20
100
120
0.1
0.4
0.2
0.1
0.1
15
8
5
5
0.45
0.24
0.15 0.15
0.2
0.75 0.35
0.2
0.2
30
15
10
10
0.9
0.45
0.3
0.3
0.5
0.15 0.75
0.5
0.5
90
45
30
30
2.7
1.35
0.9
0.9
1.0
3.0
1.5
1.0
1.0
180
90
60
60
5.4
2.7
1.8
1.8
Para las clases 0.2S y 0.5S el error de relación y el desplazamiento de fase a la
frecuencia nominal no deben exceder los valores presentados en la Tabla 3, cuando la
carga (Burden) pueda asumir cualquier valor entre el 25% y el 100% de la carga nominal.
Tabla 3
Límite de error de relación y el desplazamiento de fase para transformadores
de corriente para medición (clase 0.2S a 0.5S)
(Norma NTC 2205 de 2013)
Desplazamientos de fase
Error ± %
Clase de
± Minutos
± centiradianes
exactitud A corriente (% de la nominal) A corriente (% de la nominal) A corriente (% de la nominal)
5
20 100 120 1
5
20 100 120
1
5
20
100 120
1
0.2S
0.75 0.35 0.2 0.2 0.2 30 15 10
10
10
0.9 0.45 0.3 0.3 0.3
0.5S
1.5 0.75 0.5 0.5 0.5 90 45 30
30
30
2.7 1.35 0.9 0.9 0.9
Para todas las clases, la carga (burden) debe tener un factor de potencia de 0.8
inductivo, excepto cuando la carga (burden) sea menor de 5 VA, que se debe usar el
factor de potencia de 1.0 con un valor mínimo de 1VA.
Nota: En general, los límites establecidos para el error de relación y desplazamiento de
fase son válidos para cualquier posición dada de un conductor externo separado en una
distancia en el aire no menor de la requerida para el aislamiento en el aire a la tensión
más alta para el equipo.
d. Carga nominal
La carga nominal (Burden) del transformador de corriente debe seleccionarse de tal
forma que la carga real del circuito secundario (incluyendo los cables de conexión del
transformador al medidor) esté comprendida entre el 25% y el 100% de su valor.
Se permitirá que la carga conectada al transformador de corriente sea inferior al 25 %
de la carga nominal siempre y cuando se cuente con un informe de calibración de
laboratorio que garantice la exactitud del transformador de corriente en dichos valores.
El Burden total del transformador de corriente (VA
siguientes valores:
TOTAL)
corresponde a la suma de los
VA TOTAL = VA MEDIDOR + VACONDUCTOR + VA DEVANADO
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En donde:
VA MEDIDOR: Es el Burden del dispositivo de medida. Valor proporcionado por norma
de fabricación. Ver tabla 4.
VACONDUCTOR: Es el Burden debido a la impedancia de los conductores del circuito
secundario.
VADEVANADO: Es el Burden debido a la impedancia de los devanados internos del
transformador de corriente. Este valor es tan pequeño que por lo general puede ser
despreciado.
En la tabla 4 se establecen los valores de potencia máximo permitido en los circuitos de
corriente del medidor de energía, a utilizar en el cálculo del burden de los
transformadores de corriente.
Tabla 4
Consumo de potencia máximo permitido en los circuitos de corriente del medidor de
energía de acuerdo con su clase
Tipo de medidor
Clase
Burden máximo (VA
0.2S y 0.5S
1
Electrónico
1
4
e. Corriente térmica nominal permanente Icth
El valor normalizado para la corriente térmica permanente nominal es la corriente
primaria nominal.
Cuando se especifica una corriente térmica permanente nominal mayor que la corriente
primaria nominal, los valores recomendados son 120%, 150% y 200% de la corriente
primaria nominal.
f. Corriente térmica nominal de corta duración Ith
Se debe asignar una corriente térmica nominal de corta duración (Ith) al transformador.
El valor normalizado para la duración de la corriente térmica nominal de corta duración
es 1s.
La corriente térmica nominal de corta duración (Ith) deberá seleccionarse de tal forma
que:
Ith≥ Icc x t1/2
En donde:
Icc = corriente máxima de cortocircuito en el punto del sistema donde va a ser
conectado.
t = tiempo de duración del cortocircuito en segundos.
g. Corriente dinámica nominal I(dyn)
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La corriente dinámica nominal (Idyn) debe ser como mínimo 2,5 veces la corriente
térmica nominal de corta duración (Ith); es decir:
Idyn ≥ 2.5 Ith
h. Relación de transformación
Con el fin de estandarizar el sistema de medida, impedir errores de conexión y evitar la
fácil manipulación de la relación de transformación de los equipos, se aceptarán solo
transformadores de corriente con relación ajustable solo por el lado primario.
2. TRANSFORMADORES DE TENSION
Los criterios para la selección de los transformadores de tensión son las siguientes:
a. Tensión primaria nominal
La tensión primaria nominal de un transformador de tensión debe corresponder a la
tensión nominal del sistema eléctrico al cual va a ser conectado; por ello, para su
selección, es necesario tener en cuenta los límites de operación del transformador de
tensión con respecto a su tensión primaria nominal, y los límites de variación de la
tensión de la red permitidos por la regulación, con respecto a su valor nominal en el
punto donde el transformador será instalado.
La tensión primaria nominal de los transformadores de tensión se selecciona de tal
forma que se garantice que el rango de valores de la tensión de la red permitidos por la
regulación con respecto a su valor nominal, quede dentro de los límites de operación
del transformador de tensión.
Por lo anterior:
- El rango de operación de los transformadores de tensión fabricados bajo la norma NTC
5787 (IEEE C57.13) está comprendido entre el 90% y el 110% de su tensión primaria
nominal. Si el transformador se va a instalar en una red eléctrica en la cual la regulación
permite una variación de tensión entre el 90% y el 110% de su valor nominal entonces
la tensión primaria nominal del transformador debe ser igual a la tensión nominal de la
red.
- El rango de operación de los transformadores de tensión fabricados bajo la norma NTC
2207 (IEC 61869-3) o bajo la norma IEC 61869-5, está comprendido entre el 80% y el
120% de su tensión primaria nominal. Si el transformador se va a instalar en una red
eléctrica en la cual la regulación permite una variación de tensión entre el 90% y el 110%
de su valor nominal, entonces la tensión primaria nominal del transformador se debe
seleccionar de tal forma que la tensión nominal de la red, quede comprendida entre el
90% y el 110% de su valor.
b. Tensión secundaria nominal
La tensión secundaria nominal del transformador de tensión debe corresponder a los
rangos de operación del medidor conectado a éste.
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Se recomienda que los medidores multirango sean calibrados para el valor de tensión
secundaria nominal seleccionada para el transformador de tensión.
Se recomienda que la tensión secundaria nominal sea seleccionada de tal forma que el
factor entre la tensión nominal primaria y secundaria sea un numero entero.
En los transformadores destinados a ser instalados entre fase y tierra en las redes
trifásicas en donde la tensión primaria nominal es un número dividido por √3, la tensión
secundaria nominal debe ser un valor dividido por √3. Por ejemplo: Si la tensión nominal
primaria es 10000/√3, entonces la tensión nominal secundaria puede ser 220/√3
c. Relación de transformación
Los transformadores de tensión solo se aceptarán con una relación de transformación.
d. Carga nominal
La carga nominal (Burden) del transformador de tensión debe seleccionarse de tal forma
que la carga real del circuito secundario (incluyendo los cables de conexión del
transformador al medidor) esté comprendida entre el 25 % y el 100 % de su valor.
Se permitirá que la carga conectada al transformador de tensión sea inferior al 25 % de
la carga nominal siempre y cuando se cuente con un informe de laboratorio, que
garantice la exactitud en dichos valores.
Para transformadores de tensión de clase de exactitud 0,1 y 0,2 que tengan una carga
nominal menor de 10 VA, puede ser especificado un rango extendido de carga. El error
de tensión (relación) y de desplazamiento de fase no debe exceder los valores dados
en la NTC 2207, cuando la carga secundaria es cualquier valor comprendido entre 0 VA
y el 100 % de la carga nominal a factor de potencia igual a 1.
El Burden total del transformador de tensión (VA TOTAL) corresponde a la suma de los
siguientes valores:
VA TOTAL = VA MEDIDOR + VACONDUCTOR + VA DEVANADO
En donde:
VA MEDIDOR: Es el Burden del dispositivo de medida. Valor proporcionado por norma
de fabricación. Ver tabla 5.
VACONDUCTOR: Es el Burden debido a la impedancia de los conductores del circuito
secundario.
VADEVANADO: Es el Burden debido a la impedancia de los devanados internos del
transformador de corriente. Este valor es tan pequeño que por lo general puede ser
despreciado.
En la tabla 6 se establecen los valores de potencia máximo permitido en los circuitos de
corriente del medidor de energía, a utilizar en el cálculo del burden de los
transformadores de tensión.
Tabla 6
Consumo de potencia máximo permitido en los circuitos de tensión del medidor de
energía de acuerdo con su clase
Tipo de medidor
Clase
Burden máximo (VA
Electrónico
0.2S, 0.5S y 1
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e. Transformadores combinados
Cuando se utilizan transformadores combinados, aplican los criterios para la selección
del transformador de corriente y para la selección del transformador de tensión.
Adicionalmente, el transformador debe cumplir los requerimientos de la NTC 4540.
f. Niveles de aislamiento
Para la mayoría de los valores de tensión más elevada para el equipo (Um) existen
varios niveles de aislamiento nominal, que permiten la aplicación de diferentes criterios
de funcionamiento o modelos de sobretensión. La elección debe hacerse considerando
el grado de exposición a las sobretensiones de frente rápido y frente lento, el tipo de
puesta a tierra del neutro del sistema y el tipo de dispositivos de protección contra
sobretensiones.
El nivel de aislamiento nominal para los bornes primarios de un transformador de
instrumentos debe basarse en la tensión más elevada para el equipo Um según la tabla
5.
Para los bornes primarios destinados a ser puestos a tierra en servicio tienen un valor
Um igual a 0.72 kV
3. CONCLUSION
a. Cálculos
Para efectos de seleccionar los transformadores de corriente consideremos la potencia
de 200 kVA.
In= 200/ (1.73 x 10).
In = 11.56 A (Para 10 kV))
Los transformadores de corriente se han seleccionado teniendo en cuenta la corriente
nominal de la carga (11.56 A) y la corriente nominal del medidor a instalar.
Ahora cómo la MD actual es de 177.02 kW, la Potencia de Diseño es de 160 kVA,
que viene de un (01) transformador de 200 kV A, con un nivel de tensión de 10 KV
Considerando posibles ampliaciones futuras, estos serán de relación de 15/5 A, con una
potencia de 3x15 VA.
La relación de transformación de los bobinados de tensión será concordante con la
tensión del Sistema (en MT) y la que corresponde al Medidor Electrónico (en BT):
10/0.36-0.22 kV; con conexionado en estrella, con neutro puesto a tierra.
Tensión del alimentador actual = 10 kV Tensión
nominal del medidor a instalar = 0.22kV
En consecuencia, estos serán de relación 10/0.22 kV, con una potencia en el
bobinado de tensión de 3x20 VA.
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b. Metodología para el cálculo y selección del burden para los transformadores
de medida
a.1 Generalidades
Para el cálculo del Burden, carga total (VA), se considera el calibre de conductor de
4x2.5 mm2 del tipo N2XSY, con longitudes de campo entre los 10 y 15 metros.
La carga del medidor es un valor típico tomado de la norma NTC 2147, Tablas 4 y 6.
El valor de corriente utilizado para el circuito secundario es de 5A, por ser el valor
normalizado de corriente secundaria nominal de los transformadores de corriente.
a.2
Calculo y selección del burden para el Transformadores de corriente
Para el desarrollo del cálculo se tienen las siguientes consideraciones:
Conductores que conectan el trafomix y el medidor de energía son de cobre con calibres
de 4x2.5 mm2 con longitud entre 10 m y 15 m.
Consumo de potencia máximo permitido en los circuitos de corriente del medidor de
energía de acuerdo con su clase, tabla 11. Medidores clase 0.2S y 0.5S burden máximo
1 VA, clase 1 burden máximo 4 VA.
El Burden total del transformador de corriente es:
VA TOTAL = VA MEDIDOR + VACONDUCTOR + VA DEVANADO
Calibre
Rac
del
Ohmio/m
conductor
2.5 mm2
0.0067
Tabla 10
Carga del conductor (VA)
Carga del medidor
Longitud (m)
clase 0.2S y 0.5S
2
10
15
0.34
1.68
3.35
1
Carga total (VA)
Longitud (m)
2
10
15
1.34
2.68
4.35
El rango de valores de potencia nominal normalizados es: 2.5 – 5 – 10 – 15 – 30 VA
Analizando para el caso del conductor de cobre calibre 2.5 mm2, se tiene lo siguiente:
Para una Longitud de 15 m: el burden requerido es 4.35 VA, por lo cual se selecciona
un valor de 4.5 VA, de tal forma que el burden requerido esté comprendido entre el 25%
y el 100% del valor nominal. Con un factor de seguridad del 2.5 se selecciona de 3x15
VA. Ya que adicionalmente se pueden instalar medidores de respaldo.
a.2 Cálculo y selección del burden para el transformador de tensión
Para el desarrollo del cálculo se tienen las siguientes consideraciones:
Conductores que conectan el transformador de tensión y el medidor de energía son de
cobre con calibre de 2.5 mm2, con longitud entre 10 m y 15 m.
Consumo de potencia máximo permitido en los circuitos de tensión del medidor de
energía de acuerdo con su clase, tabla 6. Medidores clase 0.2S y 0.5S consumen 10
VA.
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El Burden total del transformador de tensión es:
VA TOTAL = VA MEDIDOR + VACONDUCTOR + VA DEVANADO
Tabla 11
Calibre
Carga del conductor (VA)
Carga del medidor
Rac
del
Longitud (m)
clase 0.2S y 0.5S
Ohmio/m
conductor
(VA)
2
10
15
2.5 mm2
0.0067 0.00111666 0.00558307 0.01116563
10
Carga total (VA)
Longitud (m)
2
10
15
10.0011167 1.0055831 10.011166
De la tabla 11, se obtiene que el burden requerido para el transformador de tensión es
aproximadamente 10 VA.
Los valores normalizados de potencia nominal, en un factor de potencia de 0.8
(inductiva) expresados en VA son:
10 VA – 25 VA – 50 VA – 100 VA (rango de carga II)
Para el rango de carga II. El error de tensión y el desplazamiento de fase a la frecuencia
nominal no deben sobrepasar los valores de la Tabla 301 de la NTC 2207, a cualquier
tensión entre 80 % y 120 % de la tensión nominal y para cargas entre 25 % y 100 % de
la carga nominal, con un factor de potencia de 0,8 inductiva.
El valor comercial más próximo para el burden requerido es 20 VA, el cual cubre
cualquiera de los conductores (longitudes y calibres) usados en el cálculo. Con un factor
de seguridad del 2 se selecciona de 3x20 VA. Ya que adicionalmente se pueden instalar
medidores de respaldo.
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